DE3620427C2 - Verschmutzungsgeschützter Sauerstoffsensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Sauerstoffsensor oder -meßfühler gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, zum Messen der Sauerstoffkonzentration im Abgas von einer Brennkraftmaschine oder sonstigen Ver­ brennungsvorrichtung.

Die meisten der bisherigen, für den genannten Zweck eingesetzten Sauerstoffsensoren verwenden Sauerstoff­ detektor- oder -meßelemente aus Zirkonoxid oder einem anderen Festelektrolyten.

In einem typischen Fall verwendet ein Sauerstoffsensor dieser Art ein röhrenförmiges Sauerstoffmeßelement aus einem Festelektrolyten, wie Zirkonoxid, das am einen Ende geschlossen und am anderen Ende offen ist. Auf Innen- und Außenseiten des Sauerstoffmeßelements sind innere bzw. äußere leitfähige Schichten oder Leiter­ schichten, üblicherweise aus Platin, aufgetragen, z. B. aufgedampft. Ein Ausgangsanschluß mit Luftöffnungen stellt eine Verbindung zwischen der Atmosphärenluft und der innerhalb des Sauerstoffmeßelements befindlichen Atmosphäre her. Eine Zuleitung dient zur Abnahme eines elektrischen Ausgangssignals von der inneren Leiter­ schicht, die über den Ausgangsanschluß elektrisch mit der Zuleitung verbunden ist. Ein Außenrohr nimmt das Sauerstoffmeßelement und den Ausgangsanschluß auf und ist mit Luftöffnungen zur Herstellung einer Verbindung zwischen der Atmosphärenluft und der Atmosphäre inner­ halb des Sauerstoffmeßelements versehen. Zum Messen der Sauerstoffkonzentration im Abgas von einer Verbrennungs­ vorrichtung o. dgl. ist der Sauerstoffsensor mit letzte­ rer derart verbunden, daß die innere Leiterschicht mit der Atmosphärenluft und die äußere Leiterschicht mit dem Abgas in Berührung stehen.

Wenn der vorstehend beschriebene Sauerstoffsensor als Zusatzteil bei einer Brennkraftmaschine oder einer sonstigen Verbrennungsvorrichtung verwendet wird, kann seine innere Leiterschicht durch im Umfeld der Maschine oder Vorrichtung vorhandenes Öl oder Wasser verunreinigt bzw. verschmutzt werden. Zur Vermeidung dieses Problems wird (normalerweise) ein öl- und wasserdichtes Dicht­ mittel zwischen der Abnahme-Zuleitung und dem Außenrohr vorgesehen. Öl oder Wasser kann aber dennoch über die Luftöffnungen im Außenrohr in den Sauerstoffsensor eindringen.

Ein solcher gattungsgemäßer Sauerstoffsensor ist beispielsweise aus der US-PS 43 62 609 bekannt. Dieser Sauerstoffsensor umfaßt einen einseitig offenen, rohrförmigen, als Sauerstoffmeßelement dienenden Festelektrolyten, dessen Außen- und Innenflächen jeweils mit einer leitfähigen Schicht bedeckt sind. Am oberen, offenen Ende des Festelektrolyten befindet sich ein Ausgangsanschluß des Sensors. Um ein Eindringen von Verunreinigungen in das Innere des Festelektrolyten zu verhindern, ist ein rohrförmiges Abdeckelement vorgesehen, das die Festelektrode und den Ausgangsanschluß abdeckt, wobei im Schutzelement Luftöffnungen vorgesehen sind, um einen Zugang der Atmosphäre zur Innenfläche des Festelektrolyten zu ermöglichen.

Ein weiterer, aus der DE-30 41 581 A1 bekannter Sauerstoffsensor weist zur Verbesserung der Feuchtigkeitsisolierung des Sensorinnenraums einen als Filterrohr ausgebildeten Sperrteil aus einem porösen, wasserabweisenden Material, vorzugsweise Polytetrafluorethylen auf, der Durchgangsbohrungen zum Innenraum des Festelektrolyts abdeckt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen gattungsgemäßen Sauerstoffsensor dahingehend zu verbessern, daß er bei langer Standzeit zuverlässig vor Verunreinigung oder Verschmutzung der inneren Leiterschicht durch Öl oder Wasser geschützt ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei einem gattungsgemäßen Sauerstoffsensor ein luftdurchlässiges Abstandstück zwischen dem Ausgangsanschluß und dem die Luftöffnungen aufweisenden Bereich des ersten Rohrs angeordnet und aus einem Gemisch aus organischen Fasern und einem thermoplastischen Kunstharz geformt ist.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1a eine zur Hälfte im Schnitt gehaltene Seiten­ ansicht eines Sauerstoffsensors oder -meßfühlers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 1b einen Schnitt längs der Linie A-A in Fig. 1a,

Fig. 2a eine zur Hälfte im Schnitt gehaltene Seiten­ ansicht eines Sauerstoffsensors oder -meßfühlers gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfin­ dung,

Fig. 2b einen Schnitt längs der Linie B-B in Fig. 2a,

Fig. 3a eine zur Hälfte im Schnitt gehaltene Seiten­ ansicht eines Sauerstoffsensors oder -meßfühlers gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfin­ dung,

Fig. 3b einen Schnitt längs der Linie C-C in Fig. 3a,

Fig. 4a eine zur Hälfte im Schnitt gehaltene Seiten­ ansicht eines Sauerstoffsensors oder -meßfühlers gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfin­ dung,

Fig. 4b einen Schnitt längs der Linie D-D in Fig. 4a,

Fig. 5a eine zur Hälfte im Schnitt gehaltene Seitenan­ sicht eines Sauerstoffsensors oder -meßfühlers gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 5b einen Schnitt längs der Linie E-E in Fig. 5a.

Fig. 1a veranschaulicht eine erste Ausführungsform des Sauerstoffsensors der Erfindung. Dabei ist ein Sau­ erstoffsensor 1 an einer Verbrennungsvorrichtung, z. B. einer Brennkraftmaschine (nicht dargestellt), ange­ bracht bzw. in sie eingebaut. Ein röhrenförmiges Sauer­ stoffdetektor- oder -meßelement 11 aus einem Festelek­ trolyten, wie Zirkonoxid (ZrO₂) weist einen geschlosse­ nen Abschnitt 112 an einem unteren Ende 111 und einen offenen Abschnitt 114 an einem oberen Ende 113 auf. Auf die Innenfläche des Sauerstoffmeßelements 11 ist nach einem zweckmäßigen Verfahren, z. B. Aufdamp­ fen, eine aus Platin (Pt) bestehende innere Leiterschicht 12 aufgebracht. Eine ebenfalls aus Platin bestehende äußere Leiterschicht 13 ist auf die Außenfläche des Sau­ erstoffmeßelements 11 aufgebracht, z. B. aufgedampft. Eine elektrisch mit der inneren Leiterschicht 12 verbun­ dene Zuleitung 14 dient zum Abnehmen eines elektri­ schen Ausgangssignals von dieser Schicht 12. Ein elek­ trisch mit der äußeren Leiterschicht 13 verbundenes Metall-Einbauelement 15 ist rohrförmig ausgebildet, so daß es das Sauerstoffmeßelement 11 aufzunehmen ver­ mag. Am Umfang 151 des Einbauelements 15 sind ein Sechskant 152 und ein Außengewinde 154 angeformt, so daß der Sauerstoffsensor 1 an z. B. der Brennkraftma­ schine anbringbar ist. An dem mit einer Wand (nicht dargestellt) der Brennkraftmaschine in Berührung bringbaren Abschnitt des Einbauelements 15 ist ein Dichtring 16 zur Verhinderung eines Abgasaustritts zwischen dem Sauerstoffsensor 1 und der genannten Wand vorgesehen. Das Einbauelement 15 ist ferner mit einem Spannbereich 153 versehen; durch Verspannen des letzteren ist das Sauerstoffmeßelement 11 im Zu­ sammenwirken mit einer Dichtungs-Packungsscheibe (oder -schulter) 17, einer Talkumfüllung 18 und einem Spannring 19, die an der Innenumfangsfläche des Ein­ bauelements 15 angeordnet sind, sicher in letzterem festgelegt. Ein Flansch 221 an einem Innenrohr 22 dient ebenfalls zur Befestigung des Sauerstoffmeßelements 11. Eine Schutzkappe (protector) 20 zum Schutze des Sauerstoffmeßelements 11 ist mit einer Anzahl von Öff­ nungen 201 zur Herstellung einer Verbindung zwischen dem Abgas und der äußeren Leiterschicht 13 versehen und an dem dem Brennraum zugeordneten Ende 155 des Einbauelements 15 angebracht.

Gemäß Fig. 1a ist ein Metall-Ausgangsanschluß 21 aus Federstahl geformt; er durchsetzt eine Bohrung 213 und stellt eine elektrische Verbindung zwischen der in­ neren Leiterschicht 12 am Sauerstoffmeßelement 11 und der Abnahme-Zuleitung 14 her. Bei der dargestell­ ten Ausführungsform besteht der Ausgangsanschluß 21 aus einem Stab aus ausscheidungsgehärtetem rostfrei­ em Stahl (Sorte SUS 631). Der Ausgangsanschluß 21 weist einen Verbinder (junction) 211 auf, der in Radial­ richtung elastisch und mit der inneren Leiterschicht 12 an der Innenfläche der oberen Bohrung 114 im Sauer­ stoffmeßelement 11 elektrisch verbunden ist. Zur Her­ stellung eines elektrischen Kontakts mit der inneren Leiterschicht 12 wird der Verbinder 211 in die Bohrung 114 eingepreßt; nach Aufhebung des Einpreßdrucks ist der Anschluß 21 sodann sicher gegen die innere Leiter­ schicht 12 festgelegt. Der Verbinder 211 ist durch das Außenrohr 22 geschützt. Der Ausgangsanschluß 21 und die Zuleitung 14 sind durch Zusammenpressen (com­ pression) miteinander verbunden.

Die Verbindung zwischen dem Anschluß 21 und der Zuleitung 14 ist durch ein äußeres Schutzrohr 25 so geschützt, daß weder Wasser noch Öl in den Sauerstoff­ sensor 1 eindringen kann. Das Schutzrohr 25 umschließt lose das Innenrohr 22 unter Ermöglichung eines Ein­ strömens von Atmosphärenluft, außer an den Stellen, an denen beide Rohre, wie in Fig. 1b gezeigt, mittels fla­ cher Umfangsflächen in inniger Berührung miteinander stehen. Das äußere Schutzrohr 25 enthält eine Feder 23 und ein Dichtmittel 24, das am oberen Ende des Schutz­ rohres durch die Feder festgelegt ist und von der Zulei­ tung 14 durchsetzt wird. Das Dichtmittel besteht aus thermoplastischem Polyethylentherephthalat ((CF₂ = CF₂)_n, unter der Handelsbezeichnung Teflon bekannt). Ein unter der Feder 23 eingepreßtes Ab­ standsstück 26 drückt gegen das obere Ende 222 des Innenrohrs 22 an und ist aus einem glasfaserverstärkten Kunststoff geformt, der kaum elastisch ist und eine gute Dauerfestigkeit sowie hohe Wärmebeständigkeit be­ sitzt. Dieser Kunststoff des Abstandstücks 26 ist ein Ge­ misch aus 1. hoch luftdurchlässigen Glasfasern einer Po­ rosität von 0,3- 15% pro Querschnittsflächeneinheit (wobei die Faser typischerweise einen Durchmesser von 10 µm und eine Länge von 100 µm besitzen und in einem Verhältnis von 30-50 Gew.-% zugemischt sind) und 2. Polyethylenterephthalat (Mischungsverhältnis 50-70 Gew.-%) als stark wasserabweisendes und hoch wärme­ beständiges Kunstharz. Das Abstandstück 26 kommuni­ ziert mit der Atmosphärenluft über auch in Fig. 1b er­ sichtliche lotrechte Öffnungen 223, die als Einwärtsein­ drückungen im Innenrohr 22 ausgebildet sind, verhin­ dert jedoch ein Eindringen von Öl und Wasser, wodurch die innere Leiterschicht 12 verschmutzt werden würde. Da die innere Leiterschicht 12 sicher vor Oxidation ge­ schützt ist, gewährleistet der Sauerstoffsensor 1 (gemäß der Erfindung) eine Messung der Sauerstoffkonzentra­ tion im Abgas über einen längeren Zeitraum hinweg, wobei die innere Leiterschicht und die äußere Leiter­ schicht 13 normalerweise in Berührung mit der Atmo­ sphärenluft bzw. dem Abgas bleiben.

Bei der beschriebenen Ausführungsform sind der Ausgangsanschluß 21 und die Zuleitung 14 durch Ver­ pressen (compression) miteinander verbunden; sie kön­ nen jedoch auch durch Hartlöten oder nach einer sonsti­ gen üblichen Verbindungstechnik miteinander verbun­ den sein.

Die Fig. 2a und 2b veranschaulichen eine zweite Aus­ führungsform des erfindungsgemäßen Sauerstoffsen­ sors. Dabei sind die funktionsmäßig den Teilen der er­ sten Ausführungsform entsprechenden Teile mit densel­ ben Bezugsziffern wie vorher bezeichnet.

Der Sauerstoffsensor 1 gemäß Fig. 1a und 2b ver­ wendet zum Schutze des Verbinders 211 des Ausgangs­ anschlusses 21 ebenfalls eine Innenröhre 27, die aus ei­ nem Innenrohr(teil) 271 und einem in einem kleinen Abstand davon (und vom Außenrohr 27 bzw. 25) ange­ ordneten Außenrohr(teil) 272 (vgl. Fig. 2a) an einer von den äußeren Flachseiten entfernten Stelle besteht. Das Außenrohr 272 ist seitlich unterhalb der Flachseiten mit Luftöffnungen 273 zum Zulassen von Atmosphärenluft über das Abstandstück 26, das aus einem Gemisch aus Glasfaser und Polyethylenterephthalat geformt ist, ver­ sehen. Wenn Öl oder Wasser auf einen erwärmten Sau­ erstoffsensor spritzt, verringert sich der in letzterem herrschende Druck so weit, daß Öl oder Wasser in den Sauerstoffsensor eingesaugt wird. Bei der Ausführungs­ form nach Fig. 2a und 2b dient jedoch das Außenrohr 272 der doppelwandigen Röhre 27 als Puffer, der den Druck im Sauerstoffsensor 1 nur langsam absinken läßt. Die zweite Ausführungsform gewährleistet speziell eine weitgehende Verhinderung eines Eindringens von Was­ ser wenn bei hohen Betriebstemperaturen Wasser auf den Sauerstoffsensor 1 spritzt.

Die Fig. 3a und 3b veranschaulichen eine dritte Aus­ führungsform des erfindungsgemäßen Sauerstoffsen­ sors 1, der ein rohrförmiges Dichtmittel 28 aus Silikon­ gummi oder -kautschuk (SI) verwendet, das in einen weiten Temperaturbereich funktionsfähig ist und, bei hoher Wärmebeständigkeit, eine hohe Flexibilität selbst (noch) bei -90°C zeigt. Dieser Sauerstoffsensor ist noch wirksamer abgedichtet als derjenige gemäß der ersten Ausführungsform, und er ist weitgehend unanfäl­ lig für fehlerhafte Arbeitsweise, die durch den Eintritt von Wasser oder Öl in den Sauerstoffsensor hervorge­ rufen werden könnte.

Die Fig. 4a und 4b zeigen eine vierte Ausführungs­ form der Erfindung. Dabei weist die Zuleitung 14 des Sauerstoffsensors 1 einen Kern 141 auf, der mit dem Endabschnitt des Ausgangsanschlusses 21 verbunden ist, der seinerseits über einen Kern 142 mit der inneren Leiterschicht 12 verbunden ist.

Bei dem in Fig. 5a und 5b dargestellten Sauerstoffsen­ sor 1 gemäß einer fünften Ausführungsform besteht das Innenrohr 27 zum Schutze des Außenabschnitts 212 des Ausgangsanschlusses 21 aus einem Innenrohrteil 271 und einem Außenrohrteil 272. In der Seite des Außen­ rohrteils 272 sind dabei Luftöffnungen 273 zum Zulas­ sen von Atmosphärenluft über das Abstandstück 26, das aus einem Gemisch aus Glasfaser und Polyethylente­ rephthalat geformt ist, vorgesehen. Aufgrund des dop­ pelwandigen Außenrohrs 27 bietet der Sauerstoffsensor 1 gemäß den Fig. 5a und 5b dieselben Vorteile wie der Sauerstoffsensor nach der zweiten Ausführungsform.

Der erfindungsgemäße Sauerstoffsensor mit dem be­ schriebenen Aufbau bietet die folgenden Vorteile:
Ein Abstandstück hoher Luftdurchlässigkeit und ho­ hen Wasserabweisvermögens das aus einem Gemisch aus anorganischen Fasern und einem thermoplastischen Kunstharz geformt ist, ist zwischen dem Ausgangsan­ schluß und dem Bereich des Außenrohrs, in welchem Luftöffnungen ausgebildet sind, angeordnet. Wenn der Sauerstoffsensor in eine Brennkraftmaschine oder (son­ stige) Verbrennungsvorrichtung so eingebaut ist, daß die innere Leiterschicht mit der Atmosphärenluft und die äußere Leiterschicht mit dem Abgas von der Brenn­ kraftmaschine o. dgl. in Berührung stehen, ermöglicht mithin der Sauerstoffsensor die Messung der Sauer­ stoffkonzentration im (zu untersuchenden) Abgas, wäh­ rend dabei aufgrund des Abstandstücks eine Berührung der inneren Leiterschicht mit Öl oder Wasser verhindert wird. Da die innere Leiterschicht nicht durch Öl oder Wasser beeinflußt wird, ist der Sauerstoffsensor ge­ schützt vor fehlerhafter Arbeitsweise aufgrund von Korrosion, so daß er bei langer Standzeit eine einwand­ freie Messung der Sauerstoffkonzentration im Abgas gewährleistet.

Claims (7)

1. Sauerstoffsensor, mit
einem röhrenförmigen, aus einem Festelektrolyten geformten Sauerstoffmeßelement (11), das am einen Ende geschlossen und am anderen Ende offen ist und bei dem sowohl auf Außen- als auch auf Innenfläche je eine leitfähige Schicht bzw. Leiterschicht (12, 13) aufgebracht sind,
einem Ausgangsanschluß (21) , dessen eines Ende am oberen Abschnitt des offenen Endes des Sauerstoffmeßelements (11) festgelegt ist, und
einem ersten, mit Luftöffnungen versehenen Rohr (22, 27), welches das Sauerstoffmeßelement (11) und den Ausgangsanschluß (21) schützt,
gekennzeichnet durch
ein luftdurchlässiges Abstandstück (26), das zwischen dem Ausgangsanschluß (21) und dem die Luftöffnungen aufweisenden Bereich des ersten Rohrs (22, 27) angeordnet und aus einem Gemisch aus anorganischen Fasern und einem thermoplastischen Kunstharz geformt ist.

2. Sauerstoffsensor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein zweites, das erste Rohr (22, 27) umschließendes Rohr (25) zur Herstellung eines Luftströmungswegs mit Ausnahme in einem Bereich enger Berührung zwischen beiden Rohren, wobei die Luftöffnungen einen Luftströmungsweg um den Bereich enger Berührung herum herstellen.

3. Sauerstoffsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Abstandstück (26) aus einem glasfaserverstärkten Kunststoff in Form eines Gemisches aus Glasfaser und Polytetrafluorethylen geformt ist.

4. Sauerstoffsensor nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Abstandstück (26) eine Porosität im Bereich von 0,3-15% aufweist.

5. Sauerstoffsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Rohr (22) einwandig ausgeführt ist.

6. Sauerstoffsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Rohr (27) zwei Wände (271, 272) mit einem dazwischen festgelegten Luftströmungsweg aufweist.

7. Sauerstoffsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die leitfähigen Schichten (12, 13) auf die Außen- bzw. Innenflächen des Sauerstoffmeßelements (11) durch Aufdampfen aufgebracht sind.