DE7812745U1

DE7812745U1 - Elektronischer messfuehler zur bestimmung des sauerstoffgehaltes in den abgasen von verbrennungsmotoren

Info

Publication number: DE7812745U1
Application number: DE19787812745U
Authority: DE
Original assignee: Regie Nationale des Usines Renault
Current assignee: Regie Nationale des Usines Renault
Priority date: 1977-05-25
Filing date: 1978-04-26
Publication date: 1979-11-29
Also published as: PT67920B; IT1108098B; US4177125A; PT67920A; ES235522U; IT7868177A0; FR2392380B1; FR2392380A1; GB1589146A; DE2818357A1; ES235522Y

Description

Gebrauchsmusteranmeldung G 78 12 745.4 Regie Nationale des Usines Renault

Elektronischer Meßfühler zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in den Abgasen von Verbrennungsmotoren

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrochemischen Meßfühler zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes von Abgasen, insbesondere von Abgasen aus Verbrennungsmotoren, bestehend aus einem Sauerstoffionen leitenden festen Elektrolyten und zwei Metallelektroden, von denen die eine bei Betriebstemperatur eine hohe katalytische Aktivität besitzt, während die andere einen einfachen Elektronenleiter darstellt, der nicht oxidierbar ist und keine besondere katalytische Aktivität besitzt.

Bekannte Vorrichtungen dieser Art bestehen im allgemeinen aus zwei Elektroden, von denen die eine mit einem Gas in Verbindung steht, das Sauerstoff unter gleichbleibendem Druck enthält, im allgemeinen mit Luft, während die andere, in das zu analysierende Gas eingetauchte Elektrode bei Temperaturen über 3oo°C eine deutliche katalytische Aktivität besitzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das luftgefüllte Bezugsvolumen entbehrlich zu machen und es durch ein Bezugssystem zu ersetzen, das aus einer bei Berührung mit den Abgasen nicht katalytisch wirkenden Elektrode

b^steht. Das Potential dieses Bezugssystems ändert sich

des
nach Maßgabe Luft/Kraftstoff-Verhältnisses, aber die Änderungen liegen unter 1oo mV, wenn sich das Luft/Kraftetoff-Verhältnis zwischen R = o,7, und R = 1 verändert und die Temperaturen zwischen 2oo und 600 C liegen, wie es beim Betrieb von katalytisch wirkenden Systemen normalerweise der Fall ist.

Diese Bauweise hat gegenüber den bekannten Anordnungen zahlreiche Vorteile, die zu einer erheblichen Vereinfachung des Zusammenbaus des Geräts und damit zu einer Senkung der Herstellungskosten führen.

Das Gerät kann vollständig in den Abgasstrom eingeführt werden und kann infolgedessen die Form eines Rohres, Plättchens, Ringes, hyperbolischen Parabolids etc. haben.

Die Unterteilung in zwei dichte Abschnitte erfordert die Verwendung von porenfreiem Zirkon, das gegenüber Abgasen ausgezeichnete Dichtigkeit besitzt; erfindungsgemäß kann der Elektrolyt porös sein und kann infolgedessen durch Sintern bei niedrigerer Temperatur hergestellt werden als die bisherigen Keramikelektrolyte.

Vorzugsweise wird eine Keramik aus mit Yttriumoxid stabilisiertem Zirkonoxid verwendet; der Gehalt an Ytteriumoxid liegt zwischen 8 und 14%.

Die Möglichkeit, die Bezugselektrode und die Meßelektrode auf der gleichen Keramikfläche anzubringen, macht die Verwendung eines Elektrolyten in Richtung seiner Dicke unnötig und erlaubt es daher, die Dicke herabzusetzen; man kann Meßfühler mit niedrigem Innenwiderstand bauen, indem katalytische Oberfläche und nicht-katalytische Oberfläche einander genähert werden.

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Durch die Ausnützung von Oberflächenleitfähigkeitseigenschaften wird die Dauer des Meßfühlerbetriebs beim Kaltstart des Motors herabgesetzt; die von den Abgasen überstrichene Fläche erreicht nämlich eine über 3oo C liegende Temperatur viel schneller als der massive Keramikkörper; daraus ergibt sich ein merklicher Gewinn hinsichtlich der Meßdauer und der Temperatur, bei der der Fühler zu arbeiten beginnt.

Die für das richtige Arbeiten des vorliegenden Gerätes erforderliche Elektrodenfläche ist sehr viel kleiner als bei den bisher üblichen Meßfühlern; man kann daher mit kleineren Volumina von festem Elektrolyt arbeiten, mit kleineren Elektrodenflächen und man kann unter Umständen eine Aufeinanderfolge von katalytisch und nicht-katalytisch wirkenden Elektroden koppeln, um mit gedruckten Schaltungen arbeiten zu können, die eine Betriebsspannung abgeben, die in einem kraftstoffreichen Luft/Kraftstoff-Gemisch auf mehrere Volt ansteigen kann, wobei sich dann die Verstärkerelektronik vereinfachen läßt.

Nachstehend werden einige technisch realisierbare, die Erfindung nicht beschränkende Ausführungsformen beschrieben, nach welchen der poröse Keramikkörper die Form eines Rotationskörpers enthält.

Fig. 1 ist ein Schnitt durch einen Meßfühler, der aus einem zylindrischen Stab mit an seinen Enden befindlichen Elektroden besteht;

Fig. 2 ist eine gegenüber Fig. 1 veränderte Darstellung;

Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch eine Konstruktion mit einem Meßfühler nach Art der in den Fig. 1 und 2 gezeichneten Fühler;

Fig. 4 ist ein Schnitt durch eine abgewandelte einteilige Konstruktion gemäß Fig. 3;

Fig. 5 ist eine Ansicht einer kegelstumpfartigen Konstruktion;

Fig. 6 zeigt die Vorrichtung nach Fig. 5 im Grundriß;

Fig. 7 gibt eine Abwandlung der Konstruktion nach Fig. 5 wieder;

Fig. 8 ist der Grundriß der Vorrichtung nach Fig. 7;

Fig. 9 ist ein Schnitt durch eine Konstruktion mit dem Meßfühler nach den Fig. 5 oder 7;

Fig. 1o zeigt einen Schnitt durch eine gegenüber Fig. 9 abgewandelte Konstruktion.

In den Fig. 1 und 2 wird eine Anordnung gezeigt, nach welcher der feste Elektrolyt als zylindrischer Stab aus mit Yttriumoxid stabilisiertem Zirkonoxid ausgeführt ist.

Ein Vollzylinder 31 aus Zirkonoxid mit zwischen 5% und 25 % liegender Porosität trägt an seinen Enden zwei Metallringe 33 und 3 4 aus Inconel 6oo oder Nickel, aufgequetscht auf einen elektrolytisch gewonnenen leitenden Niederschlag 35 aus Silber von o,1 bis o,2 ,u Dicke und mehr zur Mitte hin zwei mit Abstand voneinander angebrachte leitende Elektroden 36 und 37, die jeweils einen der Ringe berühren; eine dieser Elektroden besteht aus Silber oder Gold und hat eine Dicke von o,1 bis o,3 ,u, die andere aus feinverteil-

tem Platin mit ainer Dicke zwischen ο,5 und 2 ,u. Die beiden Elektroden sind vorteilhafterweise mit einer feuerfesten porösen Abdeckung versehen, die von einem Niederschlag von Aluminiumoxid oder Magnesiumaluminat, hergestellt durch Zerstäubung im Plasmabrenner, oder einer Hülse gebildet ist, die aus feuerfesten und isolierenden Fasern von Kaolin, Siliciumoxid oder Tonerde besteht.

Die Anordnung kann in. der Abgasleitung mittels eines Aufbaus (Fig. 3) angebracht werden, der am Ende eines durchbrochenen Rohres 4o ein an der Auspuffleitung befestigtes Widerlager 41, das eine mit einer Matte 42 aus nichtrostendem Material ausgelegte Eintiefung bildet und im übrigen an dem anderen Ende eine Anordnung aufweist, die zur Herstellung des elektrischen Kontakts der aktiven Elektrode dient. Diese Anordnung besteht aus einem isolierenden Rohr aus Aluminiumoxid 44, dessen Mittelteil einen elektrischen Leiter 45 aufnimmt, der mit dem Meßfühler 46 durch eine elastische und leitende Matte 47 verbunden ist. Das Rohr 5o befindet sich in einem Gehäuse 48 und wird von einem Spannstopfen 49 festgehalten.

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Die Anodnung wird durch Kupferdichtungen abgedichtet und in einem Gewindestutzen 5o an der Abgasleitung befestigt.

Fig. 4 stellt eine einteilige Variante der beschriebenen Vorrichtung in Form einer Kerze dar, bei der der Isolierkörper 61 durchdie Dichtung 6 2 in das Gehäuse 6 3 gespannt ist. In diesem Fall kann das aktive Element 6 4 im Gegensatz zu der Ausführung nach FIg. 3, nicht ausgewechselt werden.

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? Bei der in den Fig. 5 und 6 wiedergegebenen Ausführungs-

i; form wird eine aktive Keramik aus mit 12% Yttriumoxid

£ . stabilisiertem Zirkonoxid verwendet, die Kegel- oder

-: Kegelstumpf form hat.

J Zwei Elektroden 71 und 72, von denen die eine aus Gold

Ί oder Silber besteht undzwischen o,1 und o,3 ,u dick ist

I und die andere aus porösem, aktivem, leitenden Platin be-

§ steht und zwischen o,5 und 2 ,u dick ist, sind auf der End-

I fläche und den Seitenflächen angeordnet und haben etwa

I 1 mm Abstand voneinander. Ein innenliegender Durchlaß 73

I oder eine seitliche Nut 74 dient zum Ableiten der von der

[■ aktiven Elektrode gelieferten Spannung zum Kontakt 75 ,

'f während ein porenfreier Ring 76 aus leitendem Metall von

ι, o,1 mm Stärke die elektrische Verbindung zwischen der neu-

I tralen Elektrode und der elektrischen Masse des Gerätes

I herstellt. Dieser Ring kann aus Silber oder einer Legierung

I von Kupfer und Blei (Zusatz franz: metal rose) bestehen.

Die Fig. 7 und 8 zeigen eine Abwandlung der in Fig. 5 wiedergegebenen Ausführung, wobei, um die Erdung der Bezugselektrode zu vermeiden, zwei Nuten 77 und 78 vorgesehen sind, in denen ein leitender Silber- oder Platinfaden abgeschiei den ist, der die elektrischen Spannungen von den Elektroden 79 bzw. 8o an die elektrischen Kontakte 81 bzw. 82 führt. Diese Nuten können unter Umständen durch enge Kanäle I von o,5 bis 2 mm Durchmesser ersetzt werden, und die Elek-

I troden sind durch einen Abstand von mindestens o,5 mm von-

j; einander getrennt, der überall gleich sein kann, der aber

f, auch an der Spitze des Kegelstumpf es am kleinsten sein

: kann.

j:₍ Die aktiven Elemente nach den Fig. 5 und 7 können jeweils

! mit einer in den Fig. 9 und 1o gezeichneten Verkleidung

versehen sein, die aufgebördelt sein kann und die aus einem Gehäuse 9o besteht, an dem nach Bedarf Kühlrippen 91

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angebracht sein können. Dieses Gehäuse wird mit Hilfe des Kopfes 92 auf das Abgasrohr geschraubt. Das Gehäuse weist einen konischen Teil 9 3 auf, der die elektrische Verbindung zu der neutralen Elektrode 9 4 herstellt, während die aktive Elektrode 95 an einen Leiter angeschlossen ist, der von einem Platindraht 96 gebildet wird. Der Draht verläuft durch ein Isolierstück 97, das sich auf einer Matte 98 abstü-czt und sie dabei zusammendrückt; die Matte 98 besteht aus isolierenden Keramikfasern oder unter Umständen aus leitenden Metallfasern und dient dazu, einen quasi isostatischen Druck auf die Unterseite des aktiven Elements auszuüben und es an Ort und Stelle festzuhalten.

Ein isolierendes elastisches Element 99 aus Silikonkautschuk übt einen Druck auf die Anordnung aus, und gleicht die Warmeausdehnung aus und dämpft die mechanischen Erschütterungen. Seine unter 3oo°C liegende Zersetzungstemperatur verlangt entweder die Anbringung von Kühlrippen oder einen Meßfühlerkorpus von 5o bis 1oo mm länge. Ein Isolierring 1oo aus Hartbakelit und einMetallring 1o1 dienen zum Festklemmen der Anordnung.

Fig. 1o zeigt eine Ausführungsvariante der vorliegenden Anordnung, bei der die Kühlrippen und das Befestigungsgewinde fortgelassen sind und die zwei unabhängige Massekontakte aufweist.

Der Meßfühler der in Fig. 7 gezeichneten Bauart besitzt zwei Elektroden Ho und 111, die auf dem Elektrolyten aus porösem Zirkonoxid 112 angebracht- sind. Der Meßfühler liegt in dem Gehäuse 113 mit einem Kegelteil 114 an, auf dem sich ein zylindrisches, feuerfestes Isolierelement 115 abstützt, das die elektrischen Leiter aufnimmt und isoliert, den Meßfühler einspannt und die

thermische Isolierung des elastischen Elements 116 bewirkt, das aus einem isolierenden Stopfen aus Silikonkautschuk besteht, in dem Durchlässe für zwei elektrische Leiter vorgesehen sind und das eine Komprimierung bewirkt, die Wärmeausdehnungsbewegungen auffängt und die mechanischen Erschütterungen des Gerätes dämpft.

Ein Isolierstück 117 aus Hartbakelit und eine feste Metallscheibe 118 mit zwei Öffnungen ermöglichen die Festlegung oder das Aufpressen des Gehäuses 113.

Der aus poröser Keramik bestehende Korpus kann auch eine andere rotationssymmetrische Form erhalten, kann beispielsweise als Kugel, als Torus oder als hyperbolisches Paraboloid ausgeführt sein.

Patentanwalt

Claims

Gebrauchsmusteranmeldung G 73 12 745.4 Regie Nationale des Usines Renault SCHUTZANSPRÜCHE

1.) Elektronischer Meßfühler zur Bestimmung des Sauerstoff gehaltes *n den Abgasen von Verbrennungsmotoren, mit einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode, die auf der Oberfläche eines porösen Keramikkörpers angebracht sind, der aus Zirkonoxid besteht, welches durch einen Zusatz von acht bis vierzehn Prozent Yttriumoxid stabilisiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode aus Silber oder Gold und die zweite Elektrode aus porösem Platin oder porösem, 20 % Rhodium enthaltenden Platin ist, wobei die Dicke der zweiten Elektrode zwischen 0,5 Mikrometer und 2 Mikrometer beträgt.

2.) Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Keramikkörper an seiner Oberfläche eine Porösität zwischen 5 und 25 Prozent insbesondere zwischen 10 und 15 Prozent besitzt.

3.) Meßfehler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Keramikkörper die Form eines kleines zylindrischen Stabes (31) hat, auf dessen Enden jeweils eine

Metallkappe (33,34) gedrückt ist, und daß der Keramikkörper nachgiebig oder halbstarr druckbeaufschlagt an einem Widerlager abgestützt ist, wobei auf dem vom Widerlager abgewandten Ende des Keramikkörpers die zweite Elektrode aus porösem Platin aufgebracht ist.

4.) Meßfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Keramikkörper kegelförmig oder kegelstumpf förmig ausgebildet ist.

5.) Meßfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Keramikkörper die Form einer Kugel oder die Form eines hyperbolische Paraboloids hat.

6.) Meßfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Keramikkörper rotationssymmetrisch ist und mittels feuerfester Stoffe halbstarr in ein Metallgehäuse (63, 90) eingespannt ist.

7.) Meßfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Keramikkörper rotationssymmetrisch ist und mit Hilfe von Metallmatten (42, 98) halbstarr in ein Metallgehäuse (63, 90) eingespannt ist.

8.) Meßfühler nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß in dem dem Keramikkörper abgewandten Ende des Metallgehäuses (63, 90, 113) ein Silikonkautschukstopfen (99,116) vorhanden ist.

9. Meßfühler nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß in der Nähe des Silikonkautschukstopfen (99, 116) auf der Außenseite des MetallgehHuses (63, 90, 113) Kühlrippen (91) vorhanden sind.

10.) Meßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Keramikkörper mehrere erste

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Elektroden aus Silber oder Gold und mehrere zweite Elektroden aus porösem Platin oder aus porösem, 2o% Rhodium enthaltendem Platin aufgebracht sind.