DE10122940A1 - Gasfühler - Google Patents

Abstract

Das Fühlerelement (2) eines Gasfühlers weist einen becherförmigen Festelektrolytkörper (20) mit einem geschlossenen Ende und einem als Bezugsgaskammer (200) dienenden Innenraum, eine einem Messgas auszusetzende Fühlerelektrode (22) auf einer Außenfläche des Festelektrolytkörpers und eine in der Bezugsgaskammer einem Bezugsgas auszusetzende Bezugselektrode (21) auf einer Innenfläche des Festelektrolytkörpers auf. In der Bezugsgaskammer (200) ist ein Heizelement angeordnet. Der Festelektrolytkörper (20) hat ein Bein (25), das aus einem nahen Abschnitt (251) und einem fernen Abschnitt (252) besteht. Der ferne Abschnitt (252) ist dünner als der nahe Abschnitt (251). Außerdem ist das Heizelement im Bereich des fernen Abschnitts (252) zumindest teilweise mit einer die Bezugsgaskammer (200) definierenden Oberfläche (201) in Kontakt gebracht.

Description

Die Erfindung betrifft einen vorzugsweise in einen Verbrennungsmotor einzubauenden und mit einem Heizelement ausgestatteten Gasfühler zum Erfassen der Konzentration eines bestimmten Gases wie Sauerstoff, das in dem Abgas mit vorhanden ist, und zum Steuern des Luft-Kraftstoff- Verhältnisses des Verbrennungsmotors.

Zum Steuern das Luft-Kraftstoff-Verhältnisses sind Verbrennungsmotoren im Allgemeinen mit Sauerstofffühlern ausgestattet, die sich in ihren Auspuffleitungen befinden.

Ein herkömmlicher Sauerstofffühler umfasst beispielsweise einen becherförmigen Festelektrolytkörper mit einem als Bezugsgaskammer (d. h. als Luftkammer) dienenden Innen­ raum, einer einem Messgas auszusetzenden Fühlerelektrode auf einer Außenfläche des Festelektrolytkörpers und einer Bezugselektrode auf einer Innenfläche des Festelektrolyt­ körpers. Die Fühlerelektrode und die Bezugselektrode erstrecken sich ganz oder teilweise auf der Außen- und Innenfläche des Festelektrolytkörpers. Darüber hinaus ist in der Bezugskammer ein elektrisches Heizelement angeordnet.

Diese Art von Sauerstofffühler funktioniert solange nicht richtig, bis seine Temperatur ein (als Aktivtemperatur bezeichnetes) höheres Niveau erreicht. Das Heizelement dient dazu, die Temperatur des Sauerstofffühlerelements rasch zu erhöhen, wenn sich der Motor im kalten Zustand befindet, um dadurch die Fühlerdeaktivierungs- oder -ruhezeit zu verkürzen, damit die Sauerstoffkonzentration beim Motorstartvorgang so schnell wie möglich korrekt gemessen werden kann. Wenn das Sauerstofffühlerelement die Sauerstoffkonzentration nicht genau erfassen kann, verschlechtert sich die Steuerung des Luft-Kraftstoff- Verhältnisses des Motors und wird die Wirkung beeinträchtigt, mit der in dem Abgas enthaltene giftige oder kontaminierende Emissionen gereinigt werden.

Angesichts der seit einiger Zeit strengeren Erfordernisse und gesetzlichen Regelungen zur Reduktion und Unter­ drückung von in Abgasen enthaltenen giftigen oder kontaminierenden Emissionen besteht der dringende Bedarf, das Fühlerelement so rasch wie möglich aufzuwärmen. Als eine vielversprechende Vorgehensweise bietet es sich an, die Dicke des fernen (oder vorderen) Endes des Fühler­ elements zu verringern, um dadurch die Wärmemasse zu senken. Das Fühlerelement lässt sich dann rasch durch das Heizelement aufwärmen.

Wenn lediglich die Dicke des Fühlerelements verringert wird, entstehen jedoch die folgenden Probleme.

So vergrößert sich der Temperaturgradient in Axial­ richtung des Fühlerelements und wird der Erhalt eines genauen Fühlerausgangssignals schwieriger.

Genauer gesagt wird die Temperaturdifferenz zwischen dem fernen Ende des Fühlerelements und dem nahen Ende des Fühlerelements so groß, dass das Fühlerausgangssignal durch den Temperaturgradienten deutlich beeinflusst wird. Wenn nämlich hauptsächlich das ferne Ende des Fühler­ elements erwärmt wird, erhöht sich die Temperatur des nahen Endes weniger stark. Das Fühlerausgangssignal wird durch die Verzögerung oder das Fehlen des Temperatur­ anstiegs am nahen Ende nachteilig beeinflusst. Eine unverzügliche Aktivierung des Fühlerelements lässt sich nicht realisieren.

Angesichts des obigen Problems beim Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, einen Gasfühler zur Verfügung zu stellen, mit dem sich eine unverzügliche Aktivierung eines Fühlerelements realisieren lässt.

Um diese und andere damit verbundenen Aufgaben zu lösen, sieht die Erfindung einen Gasfühler vor, der einen becherförmigen Festelektrolytkörper mit einem geschlossenen Ende und einem als Bezugsgaskammer dienenden Innenraum, eine einem Messgas auszusetzende Fühlerelektrode auf einer Außenfläche des Festelektrolyt­ körpers, eine in der Bezugsgaskammer einem Bezugsgas auszusetzende Bezugselektrode auf einer Innenfläche des Festelektrolytkörpers und ein in der Bezugsgaskammer angeordnetes Heizelement aufweist. Der Festelektrolyt­ körper weist ein Bein auf, das in dem Messgas anzuordnen ist. Das Bein hat einen nahen Abschnitt und einen fernen Abschnitt. Der ferne Abschnitt ist dünner als der nahe Abschnitt. Außerdem ist das Heizelement im Bereich des fernen Abschnitts zumindest teilweise mit einer die Bezugsgaskammer definierenden Oberfläche in Kontakt gebracht.

Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Festelektrolytkörper das in dem Messgas anzuordnende Bein mit dem nahen Abschnitt und dem fernen Abschnitt aufweist, wobei der ferne Abschnitt dünner als der nahe Abschnitt ist. Außerdem ist das Heizelement im Bereich des fernen Abschnitts zumindest teilweise mit einer die Bezugsgaskammer definierenden Oberfläche in Kontakt gebracht. Das Heizelement befindet sich beispielsweise mit der Innenfläche des Festelektrolytkörpers in direktem Kontakt oder es befindet sich mit dem Festelektrolyt­ körper über die Bezugselektrode in indirektem Kontakt.

Wie nachstehend beschrieben ist, ist es vorzuziehen, auf der Bezugselektrode eine Wärmeabsorptionsschicht vorzusehen. In diesem Fall befindet sich das Heizelement über die Wärmeabsorptionsschicht und die Bezugselektrode in indirektem Kontakt mit dem Festelektrolytkörper. Kurz gesagt berührt zumindest ein Teil des Heizelements das Fühlerelement fest auf fest.

Der erfindungsgemäße Gasfühler funktioniert folgender­ maßen. Die Verringerung der Dicke des fernen Abschnitts ermöglicht es, die Wärmeübertragung zum nahen Abschnitt zu unterdrücken, wodurch beim Fühlerelement effektiv ein Wärmeverlust gesenkt wird.

Darüber hinaus ermöglicht die Verringerung der Dicke des fernen Abschnittes es, die Wärmekapazität des Fühler­ elements zu senken. Das Heizelement kann das Fühler­ element dadurch effektiv aufwärmen.

Darüber hinaus ist das Heizelement mit dem Festelektrolytkörper innerhalb eines dem fernen Abschnitt entsprechenden Bereichs in Kontakt gebracht. Von dem Heizelement erzeugte Wärme wird dadurch direkt fest zu fest zu dem Fühlerelement übertragen. Die Erfindung ergibt daher einen Gasfühler, mit dem sich eine sofortige Aktivierung des Fühlerelements realisieren lässt.

Der ferne Abschnitt des Beins sollte eine gerade Form mit einem konstanten Festelektrolytkörperdurchmesser haben (siehe Fig. 3).

Der ferne Abschnitt des Beins kann wahlweise auch zu einer sich leicht verjüngenden Form mit einem sich zum Spitzenende hin allmählich verringernden Durchmesser ausgebildet sein (siehe Fig. 7B).

Darüber hinaus ist es bei der Erfindung vorzuziehen, dass die Länge N und die Dicke t des fernen Beinabschnitts den Zusammenhang N ≧ 5 mm und t ≦ 0,7 mm erfüllen.

Dieser Aufbau senkt effektiv den Wärmeverlust vom fernen Abschnitt zum nahen Abschnitt und senkt außerdem die Wärmekapazität des Fühlerelements, wodurch ein Gasfühler mit kurzer Aktivierungszeit realisiert wird.

Wenn die Länge N des fernen Abschnitts kürzer als 5 mm ist, entweicht eine verhältnismäßig große Wärmemenge zum dickeren nahen Ende. Die Aktivierungszeit wird daher weniger stark verkürzt.

Im Hinblick auf die maschinelle Bearbeitung bzw. Herstellbarkeit ist für die Länge N des fernen Abschnitts als Obergrenze 20 mm vorzuziehen.

Wenn die Dicke t des fernen Abschnitts größer als 0,7 mm ist, wird die Wärmekapazität des Fühlerelements so groß, dass die Wirkung der verkürzten Aktivierungszeit im Wesentlichen aufgehoben wird.

Angesichts der maschinellen Bearbeitbarkeit bzw. Herstellbarkeit ist für die Dicke t des fernen Abschnitts als Untergrenze 0,4 mm vorzuziehen.

Die Länge N ist bei der Erfindung als der Abstand von einem an einer Grenze zwischen dem nahen Abschnitt und dem fernen Abschnitt gelegenen Ausgangspunkt bis zu einem an der Spitze des Fühlerelements gelegenen Endpunkt definiert (siehe Fig. 3). Wie Fig. 3 zeigt, ist die Dicke t als die Dicke des Festelektrolytkörpers in dem geraden Bereich des fernen Abschnitts definiert.

Darüber hinaus sollte bei der Erfindung die Länge L und die Dicke T des Beins den Zusammenhang L/T 25 und L < 20 mm erfüllen.

Mit diesem Aufbau lässt sich die Aktivierungszeit wirksam verkürzen.

Wenn das Verhältnis L/T mehr als 25 beträgt, verschlechtert sich nicht nur die Stoßbeständigkeit sondern auch die Herstellbarkeit. Die Untergrenze sollte für L/T 5 betragen.

Wenn das Verhältnis L/T weniger als 5 beträgt, ist die Dickendifferenz zwischen dem fernen Abschnitt und dem nahen Abschnitt so groß, dass die Wirkung der verkürzten Aktivierungszeit im Wesentlichen aufgehoben wird.

Wenn die Länge L kleiner als 20 mm ist, kann die Sauer­ stoffkonzentration aufgrund der zu kurzen dem Messgas ausgesetzten Beinlänge nicht genau erfasst werden.

Für die Länge L ist als Obergrenze 40 mm vorzuziehen. Wenn die Länge L mehr als 40 mm beträgt, verschlechtert sich die maschinelle Bearbeitbarkeit bzw. Herstellbar­ keit.

Die Länge L des Beins ist als der Abstand von einem unterhalb eines Flansch des Fühlerelements gelegenen Ausgangspunkt zur Spitze des Fühlerelements definiert (siehe Fig. 3). Mit anderen Worten stellt die Länge L den Bereich dar, der beim Einbau des Gasfühlers in ein Auspuffrohr dem Messgas ausgesetzt sein soll.

Die Dicke T ist als die Dicke des Festelektrolytkörpers unterhalb des Fühlerelementflansches definiert.

Darüber hinaus ist es bei der Erfindung vorzuziehen, dass das Heizelement eine Wärmeerzeugungsverteilung aufweist, die innerhalb eines dem fernen Abschnitt entsprechenden Bereichs eine Maximaltemperatur hat.

Mit diesem Aufbau lässt sich der ferne Abschnitt des Fühlerelements wirksam aufwärmen, wodurch die Aktivierungszeit stark verkürzt wird.

Des Weiteren ist es bei der Erfindung vorzuziehen, dass eine Schutzschicht vorgesehen ist, die die Außenfläche der Fühlerelektrode bedeckt und deren Dicke nicht mehr als 300 µm beträgt.

Durch diesen Aufbau wird für eine dünne Schutzschicht gesorgt, die die Wärmekapazität des Fühlerelements wirksam senken kann.

Wenn die Dicke der Schutzschicht 300 µm überschreitet, wird die Wirkung der verkürzten Aktivierungszeit möglicherweise geschwächt. Im Hinblick auf die Haltbarkeit gegenüber Giftstoffen ist für die Dicke der Schutzschicht als Untergrenze 50 µm vorzuziehen.

Abgesehen davon ist es bei der Erfindung vorzuziehen, dass in einem dem fernen Abschnitt entsprechenden Bereich zumindest teilweise eine Wärmeabsorptionsschicht als Wand der Bezugsgaskammer vorgesehen ist.

Dies bewirkt eine sofortige Aktivierung. Die Wärme­ absorptionsschicht wird beispielsweise direkt auf der Innenfläche des Festelektrolytkörpers aufgebracht. Die Wärmeabsorptionsschicht kann wahlweise auch auf der Bezugselektrode aufgebracht werden.

Die Wärmeabsorptionsschicht umfasst vorzugsweise mindestens eine Komponente, die aus der Aluminiumoxid, Titanoxid, Zirkoniumdioxid, Eisenoxid, Nickeloxid, Manganoxid, Kupferoxid, Cobaltoxid, Chromoxid, Yttrium­ oxid, Cordierit, Siliziumnitrid, Aluminiumnitrid und Siliziumcarbid bestehenden Gruppe ausgewählt ist.

Darüber hinaus ist es bei der Erfindung vorzuziehen, dass auf die Fühlerelektrode aufeinanderfolgend eine Elektrodenschutzschicht, eine Katalysatorschicht und eine Katalysatorschutzschicht aufgebracht sind.

Dieser Aufbau bewirkt, dass in der Katalysatorschicht H₂, NO_x, HC usw. in jeder Situation vom Anfangszustand bis zur Beendigung des Hochtemperaturbetriebs ausreichend verbrannt werden. Außerdem wird eine hinreichende Absorption und Desorption von Messgas zu und von den Katalysatormetallteilchen ermöglicht.

Bei Durchführung einer Regelung kann dadurch das Ansprechen von fett zu mager und das Ansprechen von mager zu fett hinreichend ausbalanciert werden. Somit kann der λ-Punkt in der Nähe von 1,0 genau erfasst werden. Daher lässt sich der λ-Punkt sicher und präzise auf das theoretische Luft-Kraftstoff-Verhältnis steuern. Der λ- Punkt stellt dabei das Luft-Kraftstoff-Steuerungs­ verhältnis während der Regelung dar.

Es kann also ein Gasfühler zur Verfügung gestellt werden, dessen λ-Punkt in einem großen Temperaturbereich ungeachtet der Betriebs- oder Einbaubedingungen stabil ist.

Die Elektrodenschutzschicht bedeckt die gesamte Ober­ fläche der Messelektrode. Entsprechend bedecken die Katalysatorschicht und die Katalysatorschutzschicht die Messelektrode bei Projektion auf die Außenfläche des Festelektrolytkörpers vollständig. Des Weiteren ist es bei der Erfindung vorzuziehen, dass die Katalysator­ schicht mindestens ein Katalysatormetall enthält, das aus der aus Platin, Palladium, Rhodium und Ruthenium bestehenden Gruppe ausgewählt ist.

Diese Katalysatormetalle haben hervorragende Eigen­ schaften. Eine Abweichung des λ-Punktes kann dadurch unterdrückt werden.

Darüber hinaus ist es bei der Erfindung vorzuziehen, dass der durchschnittliche Teilchendurchmesser des in der Katalysatorschicht enthaltenen Katalysatormetalls in einem Bereich von 0,3 µm bis 2,0 µm liegt.

Dadurch lässt sich das Katalyseverhalten der Katalysator­ schicht verbessern und kann eine Änderung des Katalysatorteilchendurchmessers nach einer längeren Wärmebeanspruchung unterdrückt werden.

Wenn der durchschnittliche Teilchendurchmesser weniger als 0,3 µm beträgt, wird die Reaktionsfläche zu groß. Dadurch findet die Absorption und Desorption des Mess­ gases sehr häufig statt. Entsprechend kann der λ-Punkt abweichen. Wenn der durchschnittliche Teilchendurchmesser dagegen 2,0 µm überschreitet, ist die Verbrennungs­ reaktion des Messgases unzureichend. Dadurch kann der λ- Punkt abweichen.

Des Weiteren ist es bei der Erfindung vorzuziehen, dass das in der Katalysatorschicht enthaltende Katalysator­ metall bei Projektion auf die Fühlerelektrode in einer Menge von 10 µg/cm² bis 200 µg/cm² vorliegt. Dadurch kann das Katalyseverhalten verbessert werden.

Wenn das enthaltene Katalysatormetall weniger als 10 µm/cm² einnimmt, kann das Katalyseverhalten nicht zufrieden stellen, da die Verbrennung des Messgases unzureichend ist.

Wenn das Katalysemetall mehr als 200 µm/cm² einnimmt, ist die Reaktionsfläche der Katalysatormetallteilchen über­ mäßig groß. Die Absorption und Desorption des Messgases findet dann sehr häufig statt. Dementsprechend kann der λ-Punkt abweichen.

Abgesehen davon ist es vorzuziehen, dass die Elektroden­ schutzschicht aus einem wärmebeständigen Metalloxid besteht, dass mindestens aus einer aus der Gruppe Aluminiumoxid, Aluminiumoxid-Magnesiumoxid-Spinell und Zirkoniumoxid ausgewählten Komponente besteht.

Diese Materialien sind thermisch und chemisch stabil, sodass die Elektrodenschutzschicht nicht altert.

Abgesehen davon ist es vorzuziehen, dass die Katalysator­ schutzschicht aus Aluminiumoxid oder einem ähnlichen Material besteht.

Die Katalysatorschicht wird auf die Elektrodenschutz­ schicht beispielsweise durch das folgende Verfahren aufgebracht.

Zunächst wird eine Lösung aus Katalysatormetallsalz in die wärmebeständigen Keramikteilchen einimprägniert. Dann werden die wärmebeständigen Keramikteilchen bei einer Temperatur von 900°C bis 1200°C getrocknet und wärme­ behandelt, damit sich auf der Oberfläche der wärme­ beständigen Keramikteilchen Katalysatormetallteilchen ablagern und wachsen.

Die die Katalysatormetallteilchen tragenden wärme­ beständigen Keramikteilchen werden dann mit anorganischem Bindemittel verknetet, um eine Schlämme zu bilden. Die erhaltene Schlämme wird auf die Oberfläche der Elektrodenschutzschicht aufgebracht, getrocknet und bei einer Temperatur von 500°C bis 1000°C gesintert.

Wenn die Wärmebehandlung für die Ablagerung und das Wachstum der Katalysatormetallteilchen bei einer Temperatur von weniger als 900°C erfolgt, ist der Teilchendurchmesser kleiner als 0,3 µm. Daher stellt sich nicht ausreichend die angesprochene Wirkung ein, so dass der λ-Punkt abweichen kann. Wenn die Temperatur der Wärmebehandlung 1200°C überschreitet, ist der Teilchen­ durchmesser größer als 2,0 µm und kann der λ-Punkt abweichen.

Wenn der Sintervorgang bei einer Temperatur von weniger als 500°C erfolgt, ist die Bindungskraft zwischen den wärmebeständigen Keramikteilchen unzureichend und kann sich die Katalysatorschicht ablösen. Wenn die Sinter­ temperatur 1000°C überschreitet, nimmt die spezifische Oberfläche (d. h. das Verhältnis von Oberfläche zu Gewicht) der wärmebeständigen Keramikteilchen ab und verschlechtert sich dadurch das Katalyseverhalten.

Die obigen und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung bevorzugter Ausführungs­ beispiel in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen.

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine vertikale Schnittansicht des Gesamtaufbaus eines Gasfühlers gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 2 eine vergrößerte Querschnittansicht eines fernen Abschnitts des Fühlerelements beim ersten Ausführungs­ beispiel der Erfindung;

Fig. 3 eine Ansicht eines Festelektrolytkörpers des Fühlerelements bei dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 4 eine grafische Darstellung der Temperatur­ verteilung des Fühlerelements des ersten Ausführungs­ beispiels und eines zum Vergleich dienenden Fühler­ elements;

Fig. 5 eine grafische Darstellung der Aktivierungszeit von Prüfkörpern, die dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung entsprechen.

Fig. 6 eine grafische Darstellung des Zusammenhangs zwischen Aktivierungszeit und Dicke einer Schutzschicht beim ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 7A eine teilweise aufgebrochene Ansicht eines abgewandelten Festelektrolytkörpers des Gasfühlers beim ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 7B eine Querschnittansicht mit Einzelheiten eines sich verjüngenden fernen Abschnitts des in Fig. 7A gezeigten Festelektrolytkörpers;

Fig. 8 eine teilweise aufgebrochene Ansicht eines weiteren abgewandelten Festelektrolytkörpers des Gasfühlers beim ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 9 eine vergrößerte Schnittansicht eines abgewandel­ ten fernen Abschnitts des Fühlerelements beim ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 10 eine vergrößerte Querschnittansicht eines fernen Abschnitts eines Fühlerelements gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung; und

Fig. 11 eine grafische Darstellung mit dem Zusammenhang zwischen Abgastemperatur und Luft-Kraftstoff-Steuerungs­ verhältnis (λ) beim zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen identische Teile oder Komponenten mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet.

Erstes Ausführungsbeispiel

Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 9 wird der Gasfühler gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.

Wie in den Fig. 1 bis 3 gezeigt ist, umfasst der Gasfühler 1 des ersten Ausführungsbeispiels einen becherförmigen Festelektrolytkörper 20 mit einem geschlossenen Ende und einem als Bezugsgaskammer 200 dienenden Innenraum, eine einem Messgas auszusetzende Fühlerelektrode 22 auf einer Außenfläche des Fest­ elektrolytkörpers 20, eine in der Bezugsgaskammer 200 einem Bezugsgas (z. B. Luft) auszusetzende Bezugselektrode 21 auf einer Innenfläche des Elektrolytkörpers 20 und ein in der Bezugsgaskammer 200 angeordnetes Heizelement 29. Das Heizelement 29 erzeugt im Ansprechen auf ihm zugeführte elektrische Energie Wärme.

Ein dem Messgas ausgesetztes Bein 25 des Fühlerelements 2 besteht aus einem nahen Abschnitt 251 und einem fernen Abschnitt 252. Der ferne Abschnitt 252 ist dünner als der nahe Abschnitt 251. Das Heizelement 29 ist ein Stab­ element, dessen eines Ende zumindest teilweise mit einer Innenfläche 201 des fernen Abschnitts 252 in Kontakt gebracht ist. Die Innenfläche 201 definiert die Bezugs­ gaskammer 200.

Nachstehend werden weitere Einzelheiten des dem ersten Ausführungsbeispiel entsprechenden Gasfühlers erläutert.

Der Gasfühler 1 des ersten Ausführungsbeispiels ist in ein Auspuffsystem (z. B. Auspuffrohr) eines Kraftfahrzeug­ motors eingebaut, um die Konzentration des in dem Abgas enthaltenen Sauerstoffgases zu messen. Die gemessene Sauerstoffkonzentration wird genutzt, um das Luft- Kraftstoff-Verhältnis des Kraftfahrzeugmotors zu regeln. Der Gasfühler dieses Ausführungsbeispiels ist daher allgemein als Sauerstofffühler zu bezeichnen.

Wie in Fig. 1 gezeigt ist, besteht der Gasfühler 1 hauptsächlich aus einem Fühlerelement 2 und einem zylinderförmigen Gehäuse 10. Das Gehäuse 10 weist einen zylinderförmigen Hohlraum zur Aufnahme des Fühlerelements 2 auf. Das Gehäuse 10 hat einen röhrenförmigen Abschnitt 13. Im wesentlichen in der Mitte einer Außenfläche des Gehäuses 10 ist als eine Einheit damit ein Flansch 131 ausgebildet. Mit dem fernen Ende des röhrenförmigen Abschnitts 13 steht eine Gasabdeckung 14 in Eingriff. Die Gasabdeckung 14 befindet sich in dem (nicht gezeigten) Auspuffrohr, sodass sie dem in dem Auspuffrohr strömenden Abgas ausgesetzt ist. Mit dem nahen Ende des röhren­ förmigen Abschnittes 13 steht eine Luftabdeckung 15 in Eingriff. Die Luftabdeckung 15 befindet sich an der Luft.

Wenn der Gasfühler 1 am Auspuffrohr montiert ist, ist die Gasabdeckung 14 in dem Auspuffrohr gelegen und ist der Flanschabschnitt 131 fest an dem Auspuffrohr angebracht. Die Gasabdeckung 14 hat einen Doppelschichtaufbau, der aus einer rostfreien Innenabdeckung 141 und einer rostfreien Außenabdeckung 142 besteht. Die Innenabdeckung 141 und die Außenabdeckung 142 weisen Durchgangslöcher 143 bzw. 144 auf, durch die das Gas in eine Messgaskammer 160 eingeleitet wird.

Die Luftabdeckung 15 hat einen dreistufigen Aufbau, der aus einer Schutzabdeckung 151, die an ihrem einen Ende (d. h. am fernen Ende) an dem röhrenförmigen Abschnitt 13 angebracht ist, aus einer Staubabdeckung 151, die sich an ihrem einen Ende (d. h. am fernen Ende) mit dem anderen Ende (d. h. dem nahen Ende) der Schutzabdeckung 151 überlappt, und aus einer Filterabdeckung 156 besteht, die sich an ihrem einen Ende (d. h. am fernen Ende) mit dem anderen Ende (d. h. dem nahen Ende) der Staubabdeckung 152 überlappt.

Die Filterabdeckung 156 und die Staubabdeckung 152 weisen Durchgangslöcher 153 bzw. 154 auf, um in die Luft­ abdeckung 15 Luft einzulassen. In einem Hohlraum zwischen der Filterabdeckung 156 und der Staubabdeckung 152 befindet sich ein wasserabweisender Filter 155. Der wasserabweisende Filter 155, der dazu in der Lage ist, Wasser zu entfernen, filtert die über die Durchgangs­ löcher 153 und 154 in die Luftabdeckung 15 eingeleitete Luft.

Das Fühlerelement 2 wird in dem röhrenförmigen Abschnitt 13 des Gehäuses 10 abgestützt. Mit jeweils einem Ende (d. h. den fernen Enden) der Bezugselektrode 21 und der Fühlerelektrode 22 sind federelastische Metallhalter 161 und 162 verbunden. Die anderen Enden (d. h. die nahen Enden) 183 und 184 der Metallhalter 161 und 162 sind mit jeweils einem Ende von Verbindungsanschlüssen 181 und 182 verbunden. Die anderen Enden der Verbindungsanschlüsse 181 und 182 sind jeweils durch Verstemmen mit Leitungs­ drähten 171 und 172 verbunden.

Die Leitungsdrähte 171 und 172 sind im Allgemeinen einer in Axialrichtung des Gasfühlers 1 wirkenden Zugkraft ausgesetzt. Ein die anderen Enden der Verbindungs­ anschlüsse 181 und 182 umgebender Keramikisolator 191 verhindert ein Rutschen der Leitungsdrähte 171 in 172. Ein Leitungsdraht 173 führt dem Heizelement 29 elektrische Energie zu.

Wie in Fig. 2 gezeigt ist, weist das Fühlerelement 2 dieses Ausführungsbeispiels einen becherförmigen Körper mit einem geschlossenen Ende und einem offenen anderen Ende auf.

Der Festelektrolytkörper 20 dieses Fühlerelements 2 definiert in sich eine Bezugsgaskammer 200, die mit Luft gefüllt ist. Das stabförmige Keramikheizelement 29 ist in der Bezugsgaskammer 200 angeordnet. Das ferne (oder vordere) Ende des Heizelements 29 ist entlang der in Fig. 2 gezeigten Ring- bzw. Kreislinie "A" mit der auf der Innenwand des Festelektrolytkörpers 20 befindlichen Bezugselektrode 21 in Kontakt gebracht.

Auch wenn eine ausführliche Erläuterung der Gestaltung des Festelektrolytkörpers 20 erst später folgt, sei bereits jetzt angemerkt, dass das Bein 25 den fernen Abschnitt 252 aufweist, der gerade verläuft und dünner als der nahe Abschnitt 251 ist.

Das Fühlerelement 2 ist in dem Gehäuse 10 auf die folgende Weise angeordnet.

Der das Fühlerelement 2 bildende becherförmige Festelektrolytkörper 20 weist an einem vorbestimmten Abschnitt, der von der axialen Mitte etwas zu dessen nahen Ende hin versetzt ist, einen Flansch 26 auf. Der Flansch 26 ragt von der Außenfläche des Festelektrolyt­ körpers 20 radial nach außen vor.

Das Gehäuse 10 hat einen vorstehenden Abschnitt 132, der von dessen Innenwand radial nach innen ragt. Der vorstehende Abschnitt 132 ist bezüglich des Flansch­ abschnittes 131 in axialer Richtung leicht zur Seite des fernen Endes hin versetzt.

Der vorstehende Abschnitt 132 weist eine Aufnahmefläche 133 auf, um über eine Metalldichtung 134 eine sich verjüngende Fläche 260 des Flanschs 26 aufzunehmen.

Wie in Fig. 1 gezeigt ist, sind in einem geschlossenen Raum zwischen einer sich verjüngendem Fläche 261 des Flanschs 26 und der Innenfläche des Gehäuses 10 ein Pulver 135, eine Dichtung 136 und ein Isolator 137 angeordnet. Das Pulver 235, die Dichtung 136 und der Isolator 137 trennen den Innenraum der Luftabdeckung 15 und den Innenraum der Gasabdeckung 14 luftdicht voneinander ab.

Wie in Fig. 3 gezeigt ist, weist das Fühlerelement 2 den von seiner Außenfläche nach außen ragenden Flansch 26, einen mit den vorstehend beschriebenen Halter 162 in Kontakt gebrachten und damit verklemmten nahen End­ abschnitt 27 und ein sich von dem Flansch 26 bis zu seinem fernen Ende erstreckendes Bein 25 auf. Das Bein 25 ist dem Messgas ausgesetzt.

Wie in Fig. 3 gezeigt ist, schneidet sich an einem Punkt "P" eine durch die sich verjüngende Fläche 260 des Flanschs 26 definierte Ebene mit einer durch eine äußere Seitenfläche 255 des nahen Abschnitts 251 des Beins 25 definierten Ebene. Das Bein 25 erstreckt sich von dem Punkt P (d. h. dem Ausgangspunkt) zu der Spitze Q (d. h. dem Endpunkt) des fernen Abschnitts 252. Die Spitze Q befindet sich am Boden 205 des fernen Abschnitts 252. Die Länge des Beins 25 ist durch den Axialabstand L zwischen den Punkten P und Q definiert.

Wie in Fig. 3 gezeigt ist, ist die Dicke "T" des Beins entlang einer bestimmten Ebene definiert, deren Normale die Achse des Fühlerelements 2 ist und die den Punkt P kreuzt.

Das Bein 25 weist den nahen Abschnitt 251 und den fernen Abschnitt 252 auf. Die Außenfläche des nahen Abschnitts 251 verjüngt sich etwas. In diesem nahen Abschnitt 251 wird der Durchmesser des Festelektrolytkörpers 20 zum fernen Abschnitt 252 hin kleiner. Der ferne Abschnitt 252 ist gerade, und der Durchmesser des Festelektrolytkörpers 20 ist mit Ausnahme des Bodens 205 konstant. Der Boden 205 ist halbkugelförmig gestaltet. Der ferne Abschnitt 252 erstreckt sich von der Grenze R (d. h. dem Ausgangspunkt) zwischen dem nahen Abschnitt 251 und dem fernen Abschnitt 252 bis zur Spitze Q (d. h. dem Endpunkt) des fernen Abschnitts 252. Die Länge des fernen Abschnitts 252 ist durch den Abstand N zwischen den Punkten R und Q definiert. Wie in Fig. 3 gezeigt ist, beträgt die Dicke des Festelektrolytkörpers 20 in dem geraden Bereich des fernen Abschnitts 252 "t".

Der das Fühlerelement 2 bildende Festelektrolytkörper 20 besteht aus einer Sauerstoffionen leitenden Keramik. Dazu werden zunächst ZrO₂ (Zirkoniumoxid) und Y₂O₃ (Yttriumoxid) gemischt und zu einer vorbestimmten Teilchengröße gemahlen. Dann wird über die Herstellungs­ schritte Formen → Schleifen → Sintern das Grundmaterial für den Festelektrolytkörper 20 gebildet.

Wie in Fig. 2 gezeigt ist, sind die Bezugselektroden 21 und die Fühlerelektrode 22 durch chemisches Beschichten (chemical plating) auf der Innen- und Außenfläche des Festelektrolytkörpers 20 aufgebracht. Die Fühlerelektrode 22 ist vollständig von einer porösen und aus einem MgO.Al₂O₃-Spinell bestehenden Schutzschicht 23 bedeckt.

Das Fühlerelement 2 hat in der Praxis die Abmessungen L = 27 mm, T = 1,7 mm, N = 10 mm und t = 0,5 mm.

Die Schutzschicht 23 hat eine durchschnittliche Dicke t' = 130 µm.

Die Stelle, an der die Temperatur bei Zuführung von elektrischer Energie zum Heizelement 29 am höchsten wird, wird als Wärmeerzeugungsmaximum bezeichnet. Bei diesem Ausführungsbeispiel tritt das Wärmeerzeugungsmaximum an einem vorbestimmten Punkt innerhalb des fernen Abschnitts 252 auf, der von der Spitze Q um 4,5 mm axial versetzt ist. Zwischen der zylinderförmigen Fläche des Heiz­ elements 29 und der zylinderförmigen Fläche der Bezugs­ elektrode 21 ist für einen hinreichenden Abstand von ungefähr durchschnittlich 0,1 mm gesorgt.

Die bei Zuführung von elektrischer Energie zu dem Heiz­ element 29 auftretende Temperaturverteilung des Heiz­ elements 29 wurde wie folgt gemessen.

Für die Temperaturmessung wurden gemäß diesem Ausführungsbeispiel das Fühlerelement 2 und das Heiz­ element 29 angefertigt. Zum Vergleich wurde darüber hinaus ein weiteres Fühlerelement 9 angefertigt, dessen Außenform in Fig. 4 durch die gestrichelte Linie wieder­ gegeben ist. Wie aus Fig. 4 hervorgeht, hat das zum Vergleich dienende Fühlerelement 9 ein Bein, dessen Durchmesser von nahem Ende zum fernen Ende gleichbleibend abnimmt. Mit anderen Worten unterscheidet sich das zum Vergleich dienende Fühlerelement 9 von dem erfindungs­ gemäßen Fühlerelement 2 dadurch, dass keine Grenze vorhanden ist, die den nahen Abschnitt deutlich von dem fernen Abschnitt trennt. Für das zum Vergleich dienende Fühlerelement 9 wurde das gleiche Heizelement 29 verwendet.

Bei der Temperaturmessung wurde dem in dem jeweils untersuchten Fühlerelement 2, 9 angeordneten Heizelement 29 zunächst elektrische Energie zugeführt. Nach 30 Sekunden wurde an verschiedenen Messpunkten auf dem untersuchten Fühlerelement die Temperatur gemessen. Fig. 4 zeigt die auf diese Weise erhaltene Messtemperatur­ verteilung.

In Fig. 4 entspricht die Abszisse dem Abstand (mm) des jeweiligen Messpunkts von der Spitze des jeweils untersuchten Fühlerelements und die Ordinate der Temperatur des Messpunkts (°C).

Wie aus Fig. 4 hervorgeht, war die Temperatur des erfindungsgemäßen Fühlerelements 2 für sämtliche Mess­ punkte höher als die des zum Vergleich dienenden Fühler­ elements 9.

Als nächstes wurde der Einfluss der Dicke t (mm) und der Länge N (mm) des fernen Abschnitts 252 auf die Aktivierungszeit (s) überprüft. Fig. 5 zeigt die gemessenen Aktivierungszeiten für insgesamt 12 Prüfkörper des Fühlerelements 2 dieses Ausführungsbeispiels, die in t = 0,4 mm, 0,6 mm und 0,7 mm Dicke und in N = 2,5 mm, 5,0 mm, 7,5 mm und 10 mm Länge unterteilt waren.

In Fig. 5 ist außerdem das Untersuchungsergebnis für ein zum Vergleich dienendes Fühlerelement 9 gezeigt, das an einem Abschnitt, der von der Spitze um 2,5 mm axial versetzt war, eine Dicke t = 0,85 mm aufwies.

Die Aktivierungszeit ist die Zeit, die erforderlich ist, bis das Fühlerausgangssignal nach Zuführung von elektrischer Energie zu dem Heizelement 29 im Ansprechen auf das Starten eines Motors mit dem darin eingebauten Fühlerelement 2 bzw. 9 0,5 V erreicht.

Wie aus Fig. 5 hervorgeht, hat das zum Vergleich dienende Fühlerelement 9, wie durch den Stern gekennzeichnet ist, eine verhältnismäßig lange Aktivierungszeit (von ungefähr 30 s). Dies zeigt, dass das zum Vergleich dienende Fühlerelement 9 unmittelbar nach dem Start des Motors die Sauerstoffkonzentration in dem Abgas nicht genau messen kann.

Sämtliche Prüfkörper des erfindungsgemäßen Fühlerelements 2 haben kürzere Aktivierungszeiten als das zum Vergleich dienende Fühlerelement 9. Insbesondere dann, wenn das untersuchte Fühlerelement den Zusammenhang N ≧ 5 mm und t ≦ 0,7 mm erfüllte, war eine sofortige Aktivierung des Fühlerelements gewährleistet. Mit anderen Worten kann das erfindungsgemäße Fühlerelement 2 vorzugsweise dazu verwendet werden, die Sauerstoffkonzentration in dem Abgas unmittelbar nach dem Start des Motors zu messen.

Wie in Fig. 6 gezeigt ist, wurde darüber hinaus der Einfluss der Dicke t' (µm) der Schutzschicht 23 auf die Aktivierungszeit (s) untersucht. Fig. 6 gibt die Aktivierungszeiten an, die für insgesamt 4 Prüfkörper des Fühlerelements 2 dieses Ausführungsbeispiels gemessen wurden, bei denen die Dicke t' = 100 µm, 200 µm, 300 µm und 400 µm betrug. Es wurde das gleiche Messverfahren verwendet.

Wie aus Fig. 6 hervorgeht, sollte die Dicke t' der Schutzschicht 23 zur Verkürzung der Aktivierungszeit nicht größer als 300 µm sein.

Der erfindungsgemäße Gasfühler funktioniert wie folgt.

Das Fühlerelement 2 dieses Ausführungsbeispiels zeichnet sich dadurch aus, dass das Bein 25 aus dem nahen Abschnitt 251 und dem fernen Abschnitt 252 besteht. Der ferne Abschnitt 252 ist dünner als der nahe Abschnitt 251.

Die Verringerung der Dicke des fernen Abschnitts 252 ermöglicht es, die Wärmeübertragung zu dem nahen Abschnitt 251 zu unterdrücken. Mit anderen Worten senkt das Fühlerelement 2 dieses Ausführungsbeispiel wirksam einen Wärmeverlust beim Fühlerelement 2. Außerdem kann die Wärmekapazität des Fühlerelements 2 gesenkt werden. Das Heizelements 29 heizt also das Fühlerelement 2 effektiv auf.

Das Heizelement 29 berührt teilweise eine die Bezugsgas­ kammer 200 definierende Oberfläche (d. h. die auf der Innenfläche des Festelektrolytkörpers 20 angeordnete Bezugselektrode 21). Von dem Heizelement 29 erzeugte Wärme wird somit direkt auf den Festelektrolytkörper 20 übertragen. Der Gasfühler kann daher sofort aufgewärmt werden.

Fig. 7 zeigt einen weiteren Gasfühler, der dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung entspricht.

Das in Fig. 7 gezeigte Gasfühlerelement 2 unterscheidet sich von dem in Fig. 3 gezeigten Gasfühlerelement 2 dadurch, dass sich der ferne Abschnitt 252 etwas verjüngt. Der Gradient des fernen Abschnitt 252 unterscheidet sich von dem des nahen Abschnitts 251 (d. h. er ist kleiner). Mit anderen Worten ändert sich die Verjüngungsfläche des nahen Abschnitts 251 an einer Grenze Z zur Verjüngungsfläche des fernen Abschnitts 252. Wie in Fig. 7 gezeigt ist, ist in diesem Fall die Dicke t des Festelektrolytkörpers 20 im fernen Abschnitt 252 durch die in seiner Axialmitte (N/2) gemessene Dicke definiert.

Wie in Fig. 8 gezeigt ist, kann das Heizelement 29 außerdem bezogen auf die Mittelachse des Festelektrolyt­ körpers 20 geneigt angeordnet sein. In diesem Fall ist das Heizelement 29 mit dem Festelektrolytkörper 20 an einem kleinen lokalen Punkt (und nicht entlang einer kreis- oder ringförmigen Linie) in Kontakt gebracht.

Wie in Fig. 9 gezeigt ist, ist es vorzuziehen, auf der Oberfläche der Bezugselektrode 21 eine Wärmeabsorptions­ schicht 219 vorzusehen, um die Aktivierung zu beschleuni­ gen. Die Wärmeabsorptionsschicht 219 wird gebildet, indem durch Eintauchen eine Aluminiumoxidschlämme aufgebracht und die aufgebrachte Schicht dann gesintert wird.

Zweites Ausführungsbeispiel

Unter Bezugnahme auf die Fig. 10 und 11 wird ein Gasfühler gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Der Gasfühler des zweiten Ausführungsbeispiels zeichnet sich dadurch aus, dass auf der Fühlerelektrode aufeinanderfolgend eine Elektroden­ schutzschicht, eine Katalysatorschicht und eine Katalysatorschutzschicht aufgebracht sind.

Wie in Fig. 10 gezeigt ist, umfasst das Fühlerelement 3 des zweiten Ausführungsbeispiels einen Festelektrolyt­ körper 20 mit Sauerstoffionenleitfähigkeit und auf der Oberfläche des Festelektrolytkörpers 20 eine einem Messgas auszusetzende Fühlerelektrode 22 und eine dem Bezugsgas (d. h. Luft) auszusetzende Bezugselektrode 21. Die Fühlerelektrode 22 ist vollständig von einer Elektrodenschutzschicht 313 bedeckt. Die Elektroden­ schutzschicht 313 ist vollständig von einer Katalysator­ schicht 314 bedeckt. Die Katalysatorschicht 314 ist vollständig von einer Katalysatorschutzschicht 315 bedeckt.

Die Katalysatorschicht 314 besteht aus wärmebeständigen Keramikteilchen, die auf ihrer Oberfläche Katalysator­ metallteilchen tragen. Die durchschnittliche Teilchen­ größe der Katalysatormetallteilchen liegt in einem Bereich von 0,3 µm bis 2,0 µm. Bei Projektion auf die Fühlerelektrode 22 liegen die von der Katalysatorschicht 314 getragenen Katalysatormetallteilchen in einer Menge von 10 µg/cm² bis 200 µg/cm² vor.

Der Gasfühler des zweiten Ausführungsbeispiels ist in einem Auspuffsystem eines Kraftfahrzeugmotors eingebaut und findet als Sauerstofffühler zur Motorverbrennungs­ steuerung Verwendung.

Das Fühlerelement 3 des zweiten Ausführungsbeispiels weist also die Elektrodenschutzschicht 313, die Katalysatorschicht 314 und die Katalysatorschutzschicht 315 auf, die aufeinanderfolgend auf der Oberfläche der Fühlerelektrode 22 aufgebracht sind. Wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel (siehe Fig. 3) besteht das Bein des Fühlerelements 3 aus dem nahen Abschnitt und dem fernen Abschnitt. Der ferne Abschnitt ist dünner als der nahe Abschnitt. Die Fühlerelektrode 22 ist auf der Außenfläche des Festelektrolytkörpers 20 angeordnet, und die Bezugselektrode 21 ist an der Innenfläche des Festelektrolytkörpers 20 ausgebildet. Die Fühlerelektrode 22 und die Bezugselektrode 21 bilden ein Elektrodenpaar zur Erfassung der Sauerstoffgaskonzentration. Die Ober­ fläche der Fühlerelektrode 22 ist von der Elektroden­ schutzschicht 313 bedeckt. Die Oberfläche der Elektroden­ schutzschicht 313 ist von der Katalysatorschicht 314 bedeckt. Die Oberfläche der Katalysatorschicht 314 ist von der Katalysatorschutzschicht 315 bedeckt. Die Dicken dieser aufgebrachten Schichten 313 bis 315 sind jeweils sehr dünn, auch wenn sie in Fig. 10 übertrieben dargestellt sind.

Der Festelektrolytkörper 20 besteht aus Sauerstoffionen leitendem Zirkoniumoxid. Die Fühlerelektrode 22 und die Bezugselektrode 21 werden jeweils durch Aufbacken oder Aufdrucken einer Platinfilmschicht ausgebildet.

Die Elektrodenschutzschicht 313 besteht aus einem MgO.Al₂O₃-Spinell. Die wärmebeständigen Keramikteilchen, die die Katalysatorschicht 314 bilden, sind vorzugsweise Al₂O₃-Teilchen der γ-Phase mit La-Zusatz (d. h. Lanthan- Zusatz). Die von den wärmebeständigen Keramikteilchen getragenen Katalysatormetallteilchen sind Pt-Rh-Teilchen (d. h. Platin-Rhodium-Teilchen). Die Katalysatorschutz­ schicht 315 besteht aus Al₂O₃-Teilchen der γ-Phase.

Das Fühlerelement 3 des zweiten Ausführungsbeispiels wird wie folgt hergestellt.

Zunächst wird ZrO₂ mit 5 Mol-% Y₂O₃ vermischt und zu einer vorbestimmten Teilchengröße gemahlen. Dann werden die vermischten Teilchen zu einem wie in Fig. 3 gezeigten becherförmigen Körper geformt. Der becherförmige Formkörper wird in einem Temperaturbereich von 1400°C bis 1600°C gesintert, wodurch der Festelektrolytkörper 20 dieses Ausführungsbeispiels erhalten wird.

Als nächstes wird auf der Außenfläche des Festelektrolyt­ körpers 20 durch chemisches Beschichten (chemical plating) oder durch Dampfabscheidung die Platinfühler­ elektrode 22 ausgebildet. Entsprechend wird die Platin­ bezugselektrode 21 durch chemisches Beschichten oder dergleichen auf der Innenfläche des Festelektrolytkörpers 20 ausgebildet. Die Platinbezugselektrode 21 definiert die Bezugsgaskammer 200.

Dann wird durch Plasmaspritzen ein MgO.Al₂O₃-Spinell auf die Oberfläche der Federelektrode 22 aufgebracht, um die Elektrodenschutzschicht 313 zu bilden.

Anschließend wird die Katalysatorschicht 315 aufgebracht, um die Oberfläche der Elektrodenschutzschicht 313 zu bedecken.

Für die Katalysatorschicht 314 werden Al₂O₃-Teilchen der γ-Phase mit La-Zusatz benötigt, die einen durch­ schnittlichen Teilchendurchmesser von 4 µm und eine spezifische Oberfläche (d. h. ein Fläche/Gewicht- Verhältnis) von 100 m²/g aufweisen.

Die Al₂O₃-Teilchen werden in einer Wasserlösung mit Pt- Rh-Katalysatormetallteilchen getränkt. Das Katalysator­ metallsalz lagert sich an den Al₂O₃-Teilchen an.

Danach werden die Al₂O₃-Teilchen mit dem angelagerten Katalysatormetallsalz für eine Stunde bei 1000°C wärme­ behandelt, wodurch Pt-Rh tragende Al₂O₃-Teilchen der γ- Phase erhalten werden. Die Tragemenge beträgt bezogen auf den Feststoffgehalt und die Al₂O₃-Teilchen 0,5 Gew.-%.

Zu den Pt-Rh tragenden Al₂O₃-Teilchen der γ-Phase werden Aluminiumoxidsol und Aluminiumnitrat hinzugegeben, die jeweils als Bindemittel dienen. Dann wird als Lösungs­ mittel Wasser hinzugegeben, um eine Schlämme zu erhalten. Die Oberfläche der Elektrodenschutzschicht 313 wird mit dieser Schlämme beschichtet.

Danach wird die aufgebrachte Schicht bei 500°C einer Wärmebehandlung unterzogen, um die Katalysatorschicht 314 auszubilden. Die auf diese Weise erhaltene Katalysator­ schicht 314 hat eine Porosität von 40% und eine Dicke von 60 µm.

Um die Katalysatorschutzschicht 315 zu bilden, wird ähnlich wie für die Katalysatorschicht 314 eine Schlämme aus Al₂O₃-Teilchen der γ-Phase vorbereitet. Diese Schlämme wird auf die Außenfläche der Katalysatorschicht 314 aufgebracht. Die aufgebrachte Schicht wird der Wärme­ behandlung unterzogen, um die Katalysatorschutzschicht 315 auszubilden. Die auf diese Weise erhaltene Katalysatorschutzschicht 315 hat eine Porosität von 50% und eine Dicke von 60 µm. Auf diese Weise wird das Fühlerelement 3 des zweiten Ausführungsbeispiels erhalten.

Das Fühlerelement 3 entspricht ansonsten vom Aufbau her dem Fühlerelement 2 des ersten Ausführungsbeispiels. Das Fühlerelement 3 wird in einem wie in Fig. 1 gezeigten zylinderförmigen Metallgehäuse 10 angeordnet.

Als nächstes wurde durch Vergleich des Zustands vor und nach einem Hochtemperaturhaltbarkeitsversuch die Abweichung des λ-Punkts (d. h. das Luftüberschuss­ verhältnis) des Fühlerelements 3 überprüft.

Zur Durchführung des Hochtemperaturhaltbarkeitsversuchs wurde das Fühlerelement in ein Auspuffrohr eines 3000 ccm Kraftfahrzeugverbrennungsmotors eingebaut.

Der Kraftfahrzeugverbrennungsmotor wurde so betrieben, dass sich die Temperatur des Abgases auf ein Zielniveau von 850°C bis 950°C erhöhte. Diese Bedingung wurde für 1000 Stunden kontinuierlich aufrechterhalten. Das über­ prüfte Fühlerelement wurde somit in ausreichendem Maße Hitze und Abgas ausgesetzt, um den Hochtemperatur­ haltbarkeitsversuch abschließen zu können. Die Messung des λ-Punkts erfolgte, indem das überprüfte Fühlerelement unter Regelung bei vorbestimmten Abgastemperaturniveaus von 250°C, 450°C und 600°C betrieben wurde. Die Gaskonzentration des Abgases wurde durch einen Gas­ analysator gemessen, um das Luftüberschussverhältnis zu berechnen.

Der oben beschriebene Versuch für den λ-Punkt wurde auch für das Fühlerelement 2 des ersten Ausführungsbeispiels und das in Fig. 4 gezeigte zum Vergleich dienende Fühler­ element 9 durchgeführt, auch wenn sich bei diesem Versuch auf dem zum Vergleich dienenden Fühlerelement 9 die Elektrodenschutzschicht, die Katalysatorschicht und die Katalysatorschutzschicht befanden.

Das Ergebnis des Versuchs für den λ-Punkt ist in Fig. 11 gezeigt. Das Fühlerelement 3 des zweiten Ausführungs­ beispiels (mit ⚫ gekennzeichnet) zeigte demnach ein zu bevorzugendes Luft-Kraftstoff-Steuerungsverhältnis (d. h. Luftüberschussverhältnis) γ, das in einem großen Temperaturbereich, und zwar während des gesamten Hochtemperaturhaltbarkeitsversuchs, im Wesentlichen konstant war (λ = 1). Mit anderen Worten ergab das zweite Ausführungsbeispiel einen hervorragenden Gasfühler, dessen λ-Punkt in einem großen Motorbetriebsbereich von einem Niedriglastzustand (d. h. niedriger Abgastemperatur) bis zu einem Hochlastzustand (d. h. hohe Abgastemperatur) nicht abwich.

Wie aus Fig. 11 hervorgeht, zeigt das zweite Ausführungs­ beispiel verglichen mit dem Fühlerelement des ersten Ausführungsbeispiels (mit ○ gekennzeichnet) oder dem Fühlerelement 9 des Vergleichsbeispiels (mit ∆ gekennzeichnet) ein wesentlich besseres Verhalten (d. h. X = 1 bzw. stabiler λ-Punkt).

Aus dem Vorstehenden ergibt sich, dass das Fühlerelement des zweiten Ausführungsbeispiels es ermöglicht, in der Katalysatorschicht H₂, NO_x, HC usw. in jeder Situation vom Anfangszustand bis zur Beendigung des Hochtemperatur­ betriebs in ausreichendem Maße zu verbrennen. Außerdem ist eine hinreichende Absorption und Desorption des Messgases zu und von den Katalysatormetallteilchen möglich.

Dementsprechend kann während der Regelung das Ansprechen von fett zu mager und das Ansprechen von mager zu fett hinreichend ausbalanciert werden.

Das zweite Ausführungsbeispiel ermöglicht daher eine sichere und präzise Steuerung des λ-Punkts auf das theoretische Luft-Kraftstoff-Verhältnis.

Das zweite Ausführungsbeispiel ergibt somit einen Gasfühler, dessen λ-Punkt ungeachtet der Betriebs- oder Einbaubedingungen in einem großen Temperaturbereich stabil ist.

Die Erfindung kann in verschiedenen Formen ausgeführt werden, ohne von dem in den Ansprüchen definierten Schutzumfang abzuweichen. Die dargestellten Ausführungs­ beispiele dienen daher nur Darstellungszwecken und sind nicht als Einschränkung zu verstehen.

Claims (10)

1. Gasfühler (1), mit
einem becherförmigen Festelektrolytkörper (20), der ein geschlossenes Ende und einen als Bezugsgaskammer (200) dienenden Innenraum aufweist,
einer einem Messgas auszusetzenden Fühlerelektrode (22) auf einer Außenfläche des Festelektrolytkörpers (20),
einer in der Bezugsgaskammer (200) einem Bezugsgas auszusetzenden Bezugselektrode (21) auf einer Innenfläche des Festelektrolytkörpers (20) und
einem in der Bezugsgaskammer (200) angeordneten Heizelement (29),
dadurch gekennzeichnet, dass
der Festelektrolytkörper (20) ein Bein (25) aufweist, das in dem Messgas anzuordnen ist,
das Bein (25) einen nahen Abschnitt (251) und einen fernen Abschnitt (252) hat, wobei der ferne Abschnitt (252) dünner als der nahe Abschnitt (251) ist, und
das Heizelement (29) im Bereich des fernen Abschnitts (252) zumindest teilweise in Kontakt mit einer die Bezugsgaskammer (200) definierenden Oberfläche (201) gebracht ist.

2. Gasfühler nach Anspruch 1, bei dem die Länge N und die Dicke t des fernen Abschnitts (252) den Zusammenhang N ≧ 5 mm und t ≦ 0,7 mm erfüllen.

3. Gasfühler nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Länge L und die Dicke T des Beins (25) den Zusammenhang L/T ≦ 25 und L ≦ 20 mm erfüllen.

4. Gasfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Heizelement (29) eine Wärmeerzeugungsverteilung aufweist, die innerhalb eines dem fernen Abschnitt (252) entsprechenden Bereichs eine Maximaltemperatur hat.

5. Gasfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem eine Schutzschicht (23) vorgesehen ist, die eine Außenfläche der Fühlerelektrode (22) bedeckt und deren Dicke nicht mehr als 300 µm beträgt.

6. Gasfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem in einem dem fernen Abschnitt (252) entsprechenden Bereich zumindest teilweise eine Wärmeabsorptionsschicht (219) als Wand der Bezugsgaskammer (200) vorgesehen ist.

7. Gasfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem auf die Fühlerelektrode (22) aufeinanderfolgend eine Elektrodenschutzschicht (313), eine Katalysatorschicht (314) und eine Katalysatorschutzschicht (315) aufgebracht sind.

8. Gasfühler nach Anspruch 7, bei dem die Katalysator­ schicht (314) mindestens ein Katalysatormetall enthält, das aus der aus Platin, Palladium, Rhodium und Ruthenium bestehenden Gruppe ausgewählt ist.

9. Gasfühler nach Anspruch 7 oder 8, bei dem der durchschnittliche Teilchendurchmesser des in der Katalysatorschicht (314) enthaltenen Katalysatormetalls in einem Bereich von 0,3 µm bis 2,0 µm liegt.

10. Gasfühler nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei dem das in der Katalysatorschicht (314) enthaltene Katalysatormetall bei Projektion auf die Fühlerelektrode (22) in einer Menge von 10 µg/cm² bis 200 µg/cm² vorliegt.