DE2704748B2

DE2704748B2 - Sauerstoffmeßfühler

Info

Publication number: DE2704748B2
Application number: DE2704748A
Authority: DE
Inventors: James Elwin Elgin Ill. Dillon (V.St.A.)
Original assignee: UOP LLC
Current assignee: Honeywell UOP LLC
Priority date: 1976-02-05
Filing date: 1977-02-04
Publication date: 1979-11-08
Also published as: JPS52104186A; DE2704748A1; FR2340548A1; AU2179177A; SE431799B; BE851128A; AU504525B2; SE7701181L; DE2704748C3; NL7701185A; US4040930A; IT1077508B; GB1563940A; FR2340548B1

Description

die Herstellung des Festelektrolyten benötigt. Die Gefahr einer Beschädigung des Scheibchens ist weitaus geringer als die Gefahr eines Zerbrechens des dünnen Rohres bei dem bekannten Sauerstoffmeßfühler.

Da Zirkoniumdioxid ein keramisches Material ist, ist die Frage der Abdichtung zwischen dem Scheibchen und dem rohrförmigen keramischen Isolierkörper relativ einfach verglichen mit dem Problem der Abdichtung einer Keramikscheibe gegenüber einem Metallrohr. Es genügt beispielsweise eine Glasfritten- |₀ oder Glassinterdichtung. Würde dagegen ein Metallrohr zur Halterung des Scheibchens verwendet, machten die Änderungen der Abmessungen aufgrund der außerordentlich unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Metall und Keramik es außerordent- ,₅ lieh schwierig, eine Dichtung herzustellen, welche eine über lange Zeit hin beständige hermetische Abdichtung gewährleistet

Um die Widerstandsfähigkeit des rohrförmigen Isolierkörpers gegen Vibrationen und die rauhe Umgebung in einem Abgassystem zu erhöhen, wird vorzugsweise vorgeschlagen, daß die Länge des vorderen Abschnittes des Isolierkörpers und des Festelektrolyten zusammen weniger r.'s 150% des Außendurchmessers des vorderen Abschnittes beträgt, daß der Festelektrolyt axial im Bereich des inneren Endes des Metallgehäuses angeordnet ist und daß die axiale Länge des Schutzrohres so gewählt ist, daß sein inneres Ende an oder nahe dem Zentrum des Abgasstromes liegt, wenn der Sauerstoffmeßfühler an einer Seitenwand der Abgasleitung montiert ist.

Durch die gegenüber seinem Durchmesser relativ geringe Länge des Isolierkörpers wird die Gefahr eines Zerbrechens des Isolierkörpers erheblich herabgesetzt.

An der Innenseite des Schutzkörpers kann eine dicke papierähnliche Schicht aus keramischen Fasern anliegen, um Teilchen aus dem Abgasstrom auszufiltern, die sonst die Elektrodenoberfläche errodieren oder auf andere Weise schädigen könnten. Eine innerhalb des Schutzkörpers und mit diesem verbundene Siebfläche dient als innere Unterlage für die Schicht aus Kerami'fasern. Das äußere Ende und die Wände des metallischen Schutzkörpers dienen zur Abstrahlung und Ableitung der großen Wärme aus dem Zentrum des Abgasstromes zu dem Festelektrolyten.

Vorzugsweise weist der Isolierkörper an der inneren und äußeren Oberfläche seines vorderen Abschnittes eine rreifenföiinige Metallbesc'iichtung auf, die jeweils in elektrischem Kontakt mit den Elektroden des Festelektrolyten steht. Diese Metallstreifen bestehen vorzugsweise aus Platin und erstrecken sich von dem Festelektrolyten Wv?3 zu elektrisch leitenden Dichtungen, die unter Federdruck an den Metallstreifen anliegen. Die Streifen können in flüssiger Form aufgemalt werden oder in fester Form, beispielsweise als Folien auf dem Isolierkörper befestigt werden, wenn dieser geformt wird. Die an der äußeren Oberfläche des Isolierkörpers angebrachten Metallstreifen können in der Oberfläche versenkt angeordnet sein, um die Metallstreifen beim Einbau des Isolierkörpers in das <,ο Metallgehäuse gegen Beschädigung zu schützen.

Die Zeichnungen erläutern die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels. Es stellen dar

Fig. 1 einen Axialschnitt des erfindungsgemäßen Sauerstoffmeßfühlers in Verbindung mit einer Abgasleitung,

F i g. 2 eine Endansicht des Meßfühlers gemäß Fig. 1, und

F i g. 3 einen Schnitt längs Linie 3-3 in F i g. 1.

Der allgemein mit 10 bezeichnete SauerstoffmeOfühler ist in eine Gewindebuchse 12 einschraubbar, welche entweder einstückig mit einer Abgasleitung 14 einer Verbrennungsmaschine ausgebildet oder an diese angesetzt ist. Das Gewinde der Gewindebuchse 12 steht in Eingriff mit einem Gewinde 16, welches an einem Ende eines Metallgehäuses 18 des Sauerstoffmeßfühlers ausgebildet ist.

Im Inneren des Gehäuses 18 ist ein weiterer Abschnitt 20 ausgebildet, welcher durch einen unter einem Winkel zur Achse verlaufenden Wandabschnitt oder Absatz 22 und eine Seitenwand 24 definiert ist. Innerhalb des erweiterten Abschnittes 20 Ist ein Keramikkörper 30 angeordnet, der aus einem Isoliermaterial, beispielsweise Forstertit, hergestellt ist. Der Keramikkörper 30 weist einen durchmessererweiterten Abschnitt 32 mit abgeschrägten vorderen und rückwärtigen Kantflächen 34 bzw. 36 auf, welche in den erweiterten Abschnitt 20 des Gehäuses 18 eingepaßt sind und mit Teilen des erweiterten Abschnittes 20 so zusammenwirken, daß der Keramikkörper 30 fest in seiner Lage gehalten wird An seinem äußeren Ende weis; der Keramikkörper 30 eine Vertiefung 38 auf, deren Zweck noch im folgenden beschrieben wird.

Das entgegengesetzte Ende des Keramikkörpers 30 umfaßt einen rohrförmigen Endabschnitt 42, der in einem radialen Abstand von den Innenseiten des Metallgehäuses 18 in einer relativ zu der vorderen Kantfläche 34 auskragenden Weise gehalten ist. Die Stirnfläche 44 des Endabschnitts 42 weist eine Vertiefung 48 auf, in welche ein Festelektrolyt als Plättchen oder Scheibe 50 gasdicht eingesetzt ist, wobei das Material des Festelektrolyten beispielsweise Zirkoniumdioxid dotiert mit Yttererde ist Die Dichtung kann in Form einer Glassinterschichi 54 ausgebildet sein, die bei etwa 1010°C oder etwa 65°C oberhalb ihres Schmelzpunktes gebrannt und dabei mit dem Keramikkörper 30 und dem Festelektrolyt 50 verbunden wird. Man könnte den Festelektrolytkcrper 50 auch in den Keramikkörper 30 bei der Formung desselben einsetzen oder durch Aufschrumpfen mit dem Keramikkörper 30 verbinden, wenn dieser gebrannt wird.

Eine Meßelektrode 56 ist auf der Innenseite des Elektrolytkörpers 50 befestigt und vorzugsweise aus einem katalytischen Material, wie beispielsweise porösem Platin, hergestellt. Eine Referenzelektrode 58, die vorzugsweise ebenfalls aus Platin besteht, ist an der Außenseite oder Referenzseite des Elektrolytkörpers 50 angebracht. Eine Zuleitung, beispielsweise ein Platinstreifen 62, steht in Verbindung mit der Meßelektrode 56 und erstreckt sich über die Länge des Rohrabschnittes 42 bis zu seinem Ende an der Kantfläche 34. Die äußere Zuleitung 62 ist vorzugsweise in einer schmalen Nut angeordnet, die auf der Außenwand des Endabbcnnitts 42 vorgesehen ist, um die Zuleitung während des Einbaus des Keramikkörpers 30 in das Gehäuse 18 zu schützen, tin innerer Zuleitungsstreifen 64 kann in herkömmlicher Weise durch Aufmalen aufgebracht werden. Üblicherweise werden die Zuleitungsstreifen 62 und 64 in flügger Form aufgebracht und dann in den Keramikkörper 30 bei hoher Temperatur eingebrannt.

In den Abgasstrom erstreckt sich ein Schutzrohr 70 aus Metall mit einem geschlossener Ende 72 und Gaseinlaßschlitzen 74. Das Schutzrohr 70 wird innerhalb des Metallgehäuses 18 mittels eines Flansches 7ö gehalten, welc'-er an dem Absatz 22 anliegt. Um die Elektrode 56 eegen im Abgasstrom enthaltene Partikel

zu schützen, ist eine Filterschicht 80 aus keramischen Fasern vorgesehen, welche zwischen der äußeren Wand des Schutzrohres 70 und einer in dem Schutzrohr 70 angeordneten perforierten Hülse 78 liegt.

Ein elektrischer Kontakt zwischen der Meßelektrode 56 und dem Gehäuse 18 wird durch die Anordnung einer elektrisch leitfähigen Dichtung 84 hergestellt, welche aus einem handelsüblichen Material hergestellt und zwischen dem äußeren Ende der Zuleitung 62 und dem an dem Absatz 22 anliegenden Flunsch 76 des Schutzrohres 70 angeordnet ist. Die Zuleitung 64 ist mit einem äußeren elektrischen Anschlußglied 86 über eine Metallfeder 88. einen metallenen Unterlagring 90 und eine leitfähige Dichtung 92 verbunden. Das Anschlußglied 86 ist in einen Isolator 94 eingegossen, der sich gegen eine nach auswärts gerichtete Bewegung an Flanschabschnitten 96 eines Anschlußgehäuses 98 abstützt. Das Anschlußgehäuse 98 weist an seinen· inneren Ende einen schräg nach radial außen gerichte ten Flansch 100 auf, der an der äußeren Kantfläche 3f des Keramikkörpers 30 anliegt und durch einer Metallring 102 sowie einen nach radial innen gerichte ten Flansch 104 am äußeren Ende des Gehäuses 18 ir seiner Lage festgehalten wird.

Da die Feder 88 von dem heißen Elektrolytkörper 5( durch die ganze Länge des Keramikkörpers 30 getrenn

ίο und der kühlenden Luft ausgesetzt ist, welche durch Öffnungen 106 in das Anschlußgehäuse 98 eintretet kann, kann die Feder 88 ihre Spannung behalten um genügend Druck auf den Keramikkörper 30 ausüben um einen zuverlässigen elektrischen Kontakt zwischei

i^r> den Zuleitungen 62 und 64 und den entspreehcndei leitenden Dichtungen 84 und 92 aufrechtzuerhalten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Sauerstoffmeßfühler für die potentiometrische Bestimmung des Sauerstoffgehaltes im Abgasstrom einer Brennkraftmaschine, insbesondere bei Kraftfahrzeugen, umfassend ein Metallgehäuse mit einem als Absatz ausgebildeten Erweiterungsabschnitt zwischen den beiden Enden und Befestigungsrnitteln nahe dem dem Abgasstrom zugewandten inneren Ende des Metallgehäuses zum Einbau des Sauer- |₀ Stoffmeßfühlers in eine Abgasleitung, einen Festelektrolyten mit je einer Elektrode an seiner dem Abgasstrom zugekehrten und seiner dem Abgasstrom abgewandten Seite und ein an dem inneren Ende des Metallgehäuses ansetzendes, mit Durchbrechungen zum Eintritt der Abgase versehenes Schutzrohr, dadurch gekennzeichnet, daß ein innerhalb des Metallgehäuses (18) angeordneter, hohler, im wesentlichen rohrförmiger Isolierkörper (30) aus keramischem Material vorgesehen ist, der einen mit einer Schulter (34) versehenen Abschnitt (32) größeren Durchmessers zwischen seinen beiden Enden aufweist und gegen eine Bewegung in Richtung auf das innere Ende des Metallgehäuses (18) durch den Absatz (22) im Metallgehäuse (18) gesichert ist, daß der dem Abgasstrom zugewandte, vordere Abschnitt (42) des Isolierkörpers (30) mit einem radialen Abstand zur Innenwand des Metallgehäuses (18) frei angeordnet ist, und daß der aus einem von dem Keramikmaterial des Isolierkörpers verschiedenen Material bestehende Festelektrolyt (50) mit dem inneren Ende des Isolierkörpers (30) gasdicht verbunden ist.

2. Sauerstoffmeßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß G.e Länge des vorderen Abschnittes (12) dos Isolierkörpers (30) und des Festelektrolyten (50) zusan /nen weniger als 150% des Außendurchmessers des vorderen Abschnittes (42) beträgt, daß der Festelektrolyt (50) axial im Bereich des inneren Endes des Metallgehäuses (18) angeordnet ist und daß die axiale Länge des Schutzrohres (70) so gewählt ist, daß sein inneres Ende an oder nahe dem Zentrum des Abgasstromes liegt, wenn der Sauerstoffmeßfühler (10) an einer Seitenwand der Abgasleitung (14) montiert ist.

3. Sauerstoffmeßfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der hohle Isolierkörper (30) eine streifenförmige Metallbeschichtiing(62, 64) an der inneren und äußeren Oberfläche seines vorderen Abschnittes (42) aufweist, die jeweils in elektrischem Kontakt mit den Elektroden (56 bzw. 58) des Festelektrolyten (50) steht.

4. Sauerstoffmeßfühler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallstreifen (62, 64) aus Platin bestehen.

5. Sauerstoffmeßfühler nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der an der äußeren Oberfläche des Isolierkörpers (30) angeordnete Metallstreifen (62) in der Oberfläche versenkt angeordnet ist.

6. Sauerstoffmeßfühler nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallstreifen (62,64) an ihren dem Festelektrolyten (50) fernen Enden von unter Federdruck stehenden leitenden Dichtungen (84 bzw. 92) beaufschlagt werden.

Die Erfindung berifft einen SauerstoffmeOfOhler für die potentiometrische Bestimmung des Sauerstoffgehaltes im Abgasstrom einer Brennkraftmaschine, insbesondere bei Kraftfahrzeugen, umfassend ein Metallgehäuse mit einem als Absatz ausgebildeten Erweiterungsabschnitt zwischen den beiden Enden und Befestigungsmitteln nahe dem dem Abgasstrom zugewandten inneren Ende des Metallgehäuses zum Einbau des Sauerstoffmeßfühlers in eine Abgasleitung, einen Festelektrolyten mit je einer Elektrode an seiner dem Abgasstrom zugekehrten und seiner dem Abgasstrom abgewandten Seite und ein an dem inneren Ende des Metallgehäuses ansetzendes, mit Durchbrechungen zum Eintritt der Abgase versehenes Schutzrohr.

Derartige Sauerstoffmeßfühler sollen ein Niederspannungssignal in Abhängigkeit eines Unterschiedes zwischen den Sauerstoffpartialdrücken auf einander entgegengesetzten Seiten des Festelektrolyten lieferr., der beispielsweise aus mit Yttererde dotiertem Zi: koniumdioxid besteht

Bei Anwendungen in der Kraftfahrzeugtec'inik, wo die Temperaturen im Abgasstrom üblicherweise genügend hoch sind, um die für einen Zirkoniumdioxidfestelektrolyten erwünschte Mindesttemperatur von etwa 425° C zu erreichen, ist es üblich, den Festelektrolyten nahe dem Zentrum des Abgasstromes anzuordnen, wo die Temperatur üblicherweise einen Wert von etwa 535°C erreicht. Ein Sauerstoffmeßfühler der eingangs genannten Ar: ist beispielsweise aus der DE-OS 23 60 818 bekannt. Dieser Sauerstoffmeßfühler verwendet eine Zirkoniumdicxidzelle in Form eines einseitig geschlossenen länglichen Sackrohres, dessen geschlossenes Ende sich bis in den Abgasstrom hinein erstreckt. Bei dieser Zelle ist es möglich, eine Abdichtung zwischen dem Metallgehäuse des Sauerstoffmeßfühlers und der Zirkoniumdioxidzelle an derem kühlen Ende zu erreichen, wo die unterschiedliche Wärmeausdehnung des Gehäusematerials und des Zellenmaterials unwesentlich ist. Zirkoniumdioxidzellen in Form solcher länglicher Sackrohre sind jedoch teuer und zerbrechlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sauerstoffmeßfühler der eingangs genannten Art anzugeben, der einfach und preiswert herzustellen ist und eine lange Lebenserwartung unter den rauhen Bedingungen eines Kraftfahrzeugabgassystems hat.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß ein innerhalb des Metallgehäuses angeordneter, hohler, im wesentlichen rohrförmiger Isolierkörper aus keramischem Material vorgesehen ist, der einen mit einer Schulter versehenen Abschnitt größeren Durchmesser zwischen seinen beiden Enden aufweist und gegen eine Bewegung in Richtung auf das innere Ende des Metallgehäuses durch den Absatz im Metallgehäuse gesichert ist, daß der dem Abgasstrom zugewandte, vordere Abschnitt des Isolierkörpers mit einem radialen Abstand zur Innenwand des Metallgehäuses frei angeordnet ist, und daß der aus einem von dem Keramikmaterial des Isolierkörpers verschiedenen Material bestehende Festelektrolyt mit dem inneren Ende des Isolierkörpers gasdicht verbunden ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Sauerstoffmeßfiihler kann der Festelektrolyt in Form eines kleinen Scheibchens verwendet werden. Die Herstellung eines solchen Scheibchens ist nicht nur wesentlich einfacher als die Herstellung des kompliziert geformten, einseitig geschlossenen Rohres, wie es bei dem Sauerstoffmeßfühler gemäß der DE-OS 23 60 818 verwendet wird, sondern es wird auch wesentlich weniger Material für