DE19935301A1 - Sauerstoffsensor - Google Patents

Abstract

Ein Sauerstoffsensor (1) umfaßt ein plattenartiges Sensorelement (30), an dessen einer Seitenfläche eine Detektorebene (31) zum Erfassen von Sauerstoff ausgebildet ist, sowie einen zylindrischen Protektor (21), der das Sensorelement (30) umgibt. Das Sensorelement (30) und der Protektor (21) sind in einer Abgasleitung einer Maschine anordbar, um eine im Abgas von der Maschine enthaltene Sauerstoffkomponente zu erfassen. Ein erster Abstand von der einen Seitenfläche des Sensorelements (30) zur gegenüberliegenden Innenumfangsfläche des Protektors (21) ist größer als ein zweiter Abstand von einer entgegengesetzten Seitenfläche des Sensorelements (30) zu einer gegenüberliegenden Innenumfangsfläche des Protektors (21). Da der erste Abstand größer ist als der zweite Abstand, wird der Raum seitens der Detektorebene (31) größer, wodurch das Abgas stabil auf die Detektorebene (31) fließt, um das Ansprechverhalten des Sauerstoffsensors zu verbessern.

Description

Die Erfindung betrifft einen Sauerstoffsensor zum Erfassen der in einem Abgas enthaltenen Sauerstoffkonzentration.

Die meisten Sauerstoffsensoren dienen zur Luft-Kraftstoff-Ver­ hältnisregelung in Industrieöfen, Kesseln und Brennkraftmaschinen. Diese Sauerstoffsensoren verwenden das Prinzip einer Zelle und sind allgemein in zwei Typen klassifiziert: den einen zum Messen einer zwischen zwei Elektroden generierten elektromotorischen Kraft; und den anderen zum Messen einer Konduktanzänderung durch Anlegen einer Spannung an einen Festelektrolyt.

Ein Sauerstoffsensor des ersteren Typs ist beispielsweise aus der japanischen Gebrauchsmuster-Offenlegungsschrift Nr. HEI-3-2256 bekannt, mit dem Titel "Sauerstoffsensor für Brennkraftmaschine". Der bekannte Sauerstoffsensor hat einen kreisförmigen Querschnitt und umfaßt einen Sensorelementenabschnitt, der in dessen Mitte angeordnet ist, sowie einen Protektor mit doppelter Struktur, die einen Außenzylinder und einen Innenzylinder aufweist und außerhalb des Sensorelementenabschnitts angeordnet ist, um den Sensorelementenabschnitt zu schützen. In den jeweiligen Umfangswänden der Außen- und Innenzylinder sind mehrere Abgaseinlaßlöcher sowie ein Abgaseinführloch ausgebildet. An der oberen Endfläche des Innenzylinders ist ein Abgasauslaßloch ausgebildet.

Das Abgas fließt durch die Abgaseinlaßlöcher in einen kleinen Raum oder Spalt, der zwischen dem Außenzylinder und dem Innenzylinder ausgebildet ist, und wird unter Verwirbelung entlang dem Spalt umgelenkt. Dann fließt das Gas durch das Abgaseinführloch und kommt mit einer Elektrodenfläche des Sensorelementenabschnitts in Kontakt, wonach es durch das Abgasauslaßloch abgegeben wird. Da das Abgas unabhängig von der Orientierung der Elektrodenoberfläche aus einer konstanten Richtung auf die Elektrodenfläche auftrifft, ist die Sauerstoffkonzentrationserfassung des Sauerstoffsensors konstant.

Jedoch besitzt der Außenzylinder einwärts gebogene Abschnitte, um das Abgas durch die Einlaßlöcher hineinzuleiten und hat daher eine komplizierte Form, was dessen Herstellungskosten erhöht. Ferner könnte der bekannte Sauerstoffsensor im Hinblick auf die Ansprecheigenschaften verbessert werden, weil der Raum innerhalb des Innenrohrs durch den Sensorelementenabschnitt zweigeteilt ist, wobei die Elektrode an einer Seite davon angeordnet ist, wodurch der Raum an dieser Seite kleiner ist als der Raum an der anderen Seite. Wenn daher das Abgas in den Innenraum durch die Einlaßlöcher, die an den einander gegenüberliegenden Enden des Sensorelementenabschnitts angeordnet sind, hineinfließt, strömt das Abgas weniger glatt, weil die Elektrode in der Raumhälfte an der einen Seite im Vergleich zur anderen Raumhälfte vorhanden ist, was die Reaktionsfähigkeit des Sensors beeinträchtigt. Beispielsweise führt eine Zeitverzögerung von 2/100 Sekunden zu einer Ansprechverzögerung von mehreren Motorumdrehungen, da die erforderliche Luft-Kraftstoff-Steuerung/Regelung einer Verzögerung unterliegt. Da die Ansprecheigenschaften eines Sauerstoffsensors direkt die Leistung eines zugeordneten Abgasemissionssteuer/regelsystems beeinflußt, besteht ein zunehmender Bedarf nach Sauerstoffsensoren mit verbesserter Leistung.

Ein weiterer Sauerstoffsensor ist in der japanischen Patentschrift Nr. HEI-6-17885 mit dem Titel "Sauerstoffsensor-Zwischenanordnung" offenbart. Die offenbarte Sauerstoffsensor-Zwischenanordnung (Gasdetektor) umfaßt eine erste Keramikisolierschicht, die ein Gasdetektorelement und ein Thermistorelement trägt, und zweite Keramikisolierschichten, die auf der ersten Keramikisolierschicht liegen. Bei diesem Sauerstoffsensor wird der Gasdetektor über einen Abstandshalter, Füllpulver und eine Glasdichtung durch ein metallisches Hauptelement und ein inneres Rohrelement gehalten. Das metallische Hauptelement trägt einen Protektor zum Schützen des Gasdetektors.

Bei dem gerade beschriebenen herkömmlichen Sauerstoffsensor sind die zweiten keramischen Isolierschichten so angeordnet, daß sie stufenartig auf einem Hauptteil des Gasdetektors liegen, nicht jedoch auf jenem Teil des Gasdetektors, wo das Gasdetektorelement angeordnet ist. Infolgedessen sind das Gasdetektorelement und die erste Keramikisolierschicht (1 mm dick) nahe einer Mittelachse des Protektors angeordnet, obwohl die Mittelachsen des metallischen Hauptelements und des Gasdetektors miteinander übereinstimmen. Daher ist die Form des Gasdetektors kompliziert und hat große Abmessungen. Zusätzlich besteht die Gefahr, daß der Detektor nicht effektiv mit einer Massenzunahme zurecht kommt und daß seine Schwing- und Stoßbeständigkeit schlechter werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Sauerstoffsensor anzugeben, der verbesserte Ansprecheigenschaften hat, in der Konfiguration einfach ist und dessen Schwing- und Stoßbeständigkeit besser ist.

Zur Lösung der Aufgabe wird ein Sauerstoffsensor vorgeschlagen, umfassend: ein plattenartiges Sensorelement, das an seiner einen Seitenfläche eine Detektorebene zur Erfassung von Sauerstoff aufweist; sowie einen zylindrischen Protektor, der das Sensorelement umgibt, wobei das Sensorelement und der Protektor in einer Abgasleitung einer Maschine anzuordnen sind, um eine im Abgas von der Maschine enthaltene Sauerstoffkomponente zu erfassen,
wobei ein erster Abstand von der einen Seitenfläche des Sensorelements zu einer gegenüberliegenden Innenumfangsfläche des Protektors größer ist als ein zweiter Abstand von einer entgegengesetzten Seitenfläche des Sensorelements zu einer gegenüberliegenden Innenumfangsfläche des Protektors.

Da der erste Abstand größer ist als der zweite Abstand, wird der Raum seitens der Detektorebene größer als seitens der gegenüberliegenden Fläche. Im Ergebnis wird es möglich, Abgas unmittelbar auf die Detektorebene zu leiten, um hierdurch die Reaktionszeit des Sauerstoffdetektors zu verkürzen.

Bevorzugt ist eine Mittelachse des Sensorelements von einer Mittelachse des Protektors oder eines an dem Protektor angebrachten Körperelements versetzt. Dies ergibt einen größeren Raum seitens der Detektorebene, so daß Abgas stabil auf die Detektorebene fließt. Infolgedessen kann die Ausgabe des erfaßten Signals sofort beginnen.

Das Sensorelement kann die Form eines rechtwinkligen oder quadratischen Pfostens mit einem allgemein rechtwinkligen oder quadratischen Querschnitt haben. Wenn das Sensorelement einen rechtwinkligen oder quadratischen Querschnitt hat, wird der zweite Abstand kleiner, wodurch es schwierig wird, daß das Abgas zur Seite der entgegengesetzten Fläche hin strömt. Infolgedessen erreicht das Abgas, nachdem es in den Protektor hineingeströmt ist, die Detektorebene innerhalb einer kurzen Zeitdauer, um hierdurch die Ansprecheigenschaften des Sauerstoffsensors zu verbessern.

Bevorzugt sind die Mittelachse des Körperelements, an dem der Protektor angebracht ist, die Mittelachse des Protektors und die Mittelachse des rechteck- bzw. quadratpfostenförmigen Sensorelements so angeordnet, daß sie zusammenfallen. Ferner ist eine Blindschicht an einer Seitenfläche des rechteck- bzw. quadratpfostenförmigen Sensorelements ausgebildet, die derjenigen Fläche entgegengesetzt ist, auf der die Detektorebene ausgebildet ist. Infolgedessen wird das Körperelement formsymmetrisch und ist daher leicht zu bearbeiten und zusammenzubauen. Durch Vergrößern der Dicke der Blindschicht kann ferner der zweite Abstand kleiner gemacht werden, so daß der Abgasstrom zur Detektorebene hin beschleunigt wird, um hierdurch die Ansprechzeit des Sauerstoffsensors zu verbessern. Wenn die Blindschicht entsprechend der Detektorebene positioniert ist, ist es nicht erforderlich, eine solche Schicht entlang angenähert der Gesamtlänge des Sensors anzuordnen. Der hiermit erhaltene Sauerstoffsensor hat geringe Abmessungen, ist leichtgewichtig und einfach herzustellen.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Sauerstoffsensors;

Fig. 2 einen Längsschnitt des Sauerstoffsensors nach einer ersten Ausführung;

Fig. 3A und 3B eine Beziehung zwischen einem Protektor und einem Sensorelement des Sauerstoffsensors;

Fig. 4 einen Querschnitt entlang Linie 4-4 von Fig. 2;

Fig. 5 einen Querschnitt entlang Linie 5-5 von Fig. 2;

Fig. 6 eine Schemaansicht des Betriebs des Sauerstoffsensors;

Fig. 7 einen Längsschnitt eines Sauerstoffsensors nach einer zweiten Ausführung;

Fig. 8 einen Querschnitt entlang Linie 8-8 von Fig. 7;

Fig. 9 einen Querschnitt entlang Linie 9-9 von Fig. 7;

Fig. 10 einen Längsschnitt eines Sauerstoffsensors nach einer dritten Ausführung;

Fig. 11 einen Querschnitt entlang Linie 11-11 von Fig. 10;

Fig. 12 einen Querschnitt entlang Linie 12-12 von Fig. 10;

Fig. 13 einen Längsschnitt eines Sauerstoffsensors nach einer vierten Ausführung;

Fig. 14 einen Querschnitt entlang Linie 14-14 von Fig. 13; und

Fig. 15 einen Querschnitt entlang Linie 15-15 von Fig. 13.

Zu Fig. 1. Ein Sauerstoffsensor 1 umfaßt eine Körpereinheit 10 und eine mit der Körpereinheit 10 betriebsmäßig verbundene Sensorelementeneinheit 20. Das Bezugszeichen G bezeichnet eine Dichtung. P bezeichnet eine Abgasleitung.

Nun zu Fig. 2. Die Körpereinheit 10 umfaßt ein Körperelement 11, ein in einem Endabschnitt des Körperelements 11 ausgebildetes Loch 12, ein Außengewinde 13 und eine Mutter 14, die an dem Körperelement 11 vorgesehen sind, ein Rohr 15, das an einen Endabschnitt des Körperelements 11 angeschweißt ist, und einen Gummistopfen 16, der zur Abdichtung einer Endöffnung des Rohrs 15 eingesetzt ist. Das Bezugszeichen C1 bezeichnet eine Mittelachse des Körperelements 11.

Die Sensorelementeneinheit 20 umfaßt einen Protektor 21, der an das Körperelement 11 geschweißt ist, sowie ein Sensorelement 30, das in das Loch 12 des Körperelements 11 eingesetzt ist. Die Bezugszahl 22 bezeichnet Endklemmen, 23 bezeichnet Leitungsdrähte.

Der Protektor 21 umfaßt einen Innenzylinder 24 und einen Außenzylinder 25, der den Außenumfang des Innenzylinders 24 überdeckt. Das Bezugszeichen C2 bezeichnet eine Mittelachse des Protektors 21, die zur Mittelachse C1 des Körperelements 11 koaxial ist.

Der Innenzylinder 24 besitzt in seiner Umfangswand eine Mehrzahl von Gasdurchtrittslöchern 24a und in seinem Vorderende ein Gasdurchtrittsloch 24b. Ähnlich besitzt der Außenzylinder in seiner Umfangswand eine Mehrzahl von Gasdurchtrittslöchern 25a und in seinem Vorderende ein Gasdurchtrittsloch 25b.

Wie nachfolgend näher erläutert, besitzt das Sensorelement 30 an seiner einen Seitenfläche eine Detektorebene 31, um im Abgas enthaltenen Sauerstoff zu absorbieren. Die Bezugszahl 32 bezeichnet eine Rückfläche an der entgegengesetzten Seite des Sensorelements 30. Das Bezugszeichen C3 bezeichnet eine Mittelachse des Sensorselements 30. Die Orientierung der Detektorebene 31 wird auf der Basis der Festziehkraft bestimmt, die durch das Außengewinde 13 beim Anbringen des Sauerstoffsensors 1 erzeugt wird.

Nun zu Fig. 3A. Die Detektorebene 31 ist um einen Abstand X1 von einer am Körperelement 11 ausgebildeten Referenzfläche K in axialer Richtung versetzt.

Die Gasdurchtrittslöcher 24a des Innenzylinders 24 sind axial um einen Abstand X2 von einer Endfläche 4c des Innenzylinders 24 versetzt und um einen Abstand X3 von der Detektorebene 31. Der Abstand X3 liegt im Bereich von 0,5d bis 2d, wobei d der Durchmesser der Gasdurchtrittslöcher 24a ist.

Die Gasdurchtrittslöcher 25a des Außenzylinders sind in zwei parallelen Reihen vorgesehen. Die Löcher 25a in der ersten Reihe sind um einen Abstand X4 von einer Endfläche 25c des Außenzylinders 25 versetzt, wohingegen die Löcher 25a in der zweiten Reihe um einen Abstand X5 von jenen der ersten Reihe versetzt sind. Darüber hinaus sind die Gasdurchtrittslöcher 25a in der ersten Reihe um einen Abstand X6 von den Durchtrittslöchern 24a des Innenzylinders 24 nach links versetzt, wohingegen die Gasdurchtrittslöcher 25a in der zweiten Reihe um den Abstand X6 von den Durchtrittslöchern 24a des Innenzylinders 24 nach rechts versetzt sind.

Wie in Fig. 3B gezeigt, hat das Loch 12 des Körperelements 11 einen rechtwinkligen bzw. quadratischen Querschnitt, um das Sensorelement 30 einsetzen zu können, und ist so positioniert, daß die Mittelachse C3 des Sensorelements 30 um einen Abstand Y1 von sowohl der Mittelachse C1 des Körperelements 11 als auch der Mittelachse C2 des Protektors 21 versetzt ist.

Wenn das Loch 12 des Körperelements 11 um den Abstand Y1 versetzt ist, liegt die Detektorebene 31 gemäß Fig. 4 auf der Mittelachse C2 des Protektors 21 derart, daß ein erster Abstand H1 größer als ein zweiter Abstand H2 wird. Der erste Abstand H1 verläuft von einer Oberfläche der Detektorebene 31, die an einer Seitenfläche des Sensorelements 30 vorgesehen ist, zu der gegenüberliegenden Innenumfangsfläche des Innenzylinders 24 des Protektors 21, wohingegen der zweite Abstand H2 von der Rückfläche 32, die sich an der anderen Seite des Sensorelements 30 befindet, zur ihr gegenüberliegenden Innenumfangsfläche des Zylinders 24 des Protektors 21 verläuft.

In der hier beschriebenen Ausführung sind als die Gasdurchtrittslöcher 24a des Innenzylinders 24 acht kreisförmige Löcher in der Umfangswand des Innenzylinders 24 mit gleichem Abstand derart ausgebildet, daß ein Loch 24a zur Detektorebene 21 des Sensorelements 30 weist, während ein anderes gegenüberliegendes zur Rückfläche 32 des Sensorelements 30 weist. Ähnlich haben die Gasdurchtrittslöcher 25a des Außenzylinders 25 eine kreisförmige Konfiguration und sind an Stellen vorgesehen, die um einen Winkel θ von den Gasdurchtrittslöchern 24a versetzt sind.

Nun zu Fig. 5. Das Sensorelement 30 umfaßt eine in dessen Mitte vorgesehene erste Festelektrolytschicht 33, eine erste Elektrode 34, die mit einer Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 33 verbunden ist, eine zweite Elektrode 35, die mit der anderen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 33 verbunden ist, eine Schutzschicht 36, welche die zweite Elektrode 35 abdeckt, eine zweite Festelektrolytschicht 37, die mit der ersten Elektrode 34 verbunden ist, eine Heizplatte 40, die mit der zweiten Festelektrolytschicht 37 verbunden ist, sowie eine Schutzschicht 38, welche die Heizplatte 40 abdeckt.

Die erste Festelektrolytschicht 33 ist aus stabilisiertem Zirkonium (Y₂O₃-ZrO₂ beruhende Keramik) gebildet, hergestellt durch Hinzufügen einer vorbestimmten Menge von Yttrium (Y₂O₃, Yttriumoxid) zu einem Basismaterial, Zirkonium (ZrO₂, Zirkoniumoxid), um das Zirkonium zu stabilisieren.

Die zweite Festelektrolytschicht 37 ist aus stabilisiertem Zirkonium (Y₂O₃-ZrO₂ beruhende Keramik) gebildet, hergestellt durch Hinzufügen einer vorbestimmten Menge von Yttrium (Y₂O₃, Yttriumoxid) zu einem Basismaterial, Zirkonium (ZrO₂, Zirkoniumoxid), um das Zirkonium zu stabilisieren.

Die erste Elektrode 34 ist aus einem gasdurchlässigen porösen Platin (Pt)-Körper gebildet, der mit der ersten Festelektrolytschicht 33 verbunden ist, damit Sauerstoffionen in die erste Festelektrolytschicht 33 eintreten können.

Die zweite Elektrode 35 ist aus einem gasdurchlässigen porösen Platin (Pt)-Körper gebildet, der mit der ersten Festelektrolytschicht 33 verbunden ist, damit Sauerstoffionen in die erste Festelektrolytschicht 33 eintreten können.

Die Schutzschicht 36 ist als Keramikfilm ausgebildet, welcher Abgase hindurchtreten läßt. Die Schicht verhindert ein Schlechterwerden des Platins durch im Abgas enthaltene Verbindungen, Erosion des Platins aufgrund im Abgas enthaltener Partikel sowie Abtrennung von Platin durch mechanischen Aufprall und/oder Temperaturstöße. Die Vorderfläche der Schutzschicht 36 bildet die Detektorebene 31. Die Schutzschicht 38 hat hier die Form eines Keramikfilms zum Schützen der Heizplatte 40. Die Schutzschicht 38 bildet die Rückfläche 32.

Die Heizplatte 40 umfaßt einen Heizkörper 41 und eine den Heizkörper 41 abdeckende Isolierschicht 42. Der Heizer 40 dient zur Temperaturerhöhung des stabilisierten Zirkoniums (Y₂O₃-ZrO₂ beruhende Keramik) über eine vorbestimmte Temperatur, z. B. 300°C. Wenn die Temperatur der ersten und zweiten Festelektrolytschichten 33 und 37 erhöht wird, sinkt deren Widerstand. D.h. der Widerstand des stabilisierten Zirkoniums (Y₂O₃-ZrO₂ beruhende Keramik) ist von einer Temperaturänderung abhängig. In der normalen Umgebungstemperatur des Sauerstoffsensors, beispielsweise beim Starten des Sauerstoffsensors, hat der Sauerstoffsensor Schwierigkeiten, die Sauerstoffkonzentration zu erfassen, da der Widerstand des stabilisierten Zirkoniums hoch ist. Demzufolge wird der Erfassungsstart erleichtert, indem die Temperatur des stabilisierten Zirkoniums durch die Heizplatte 40 erhöht wird.

Das Sensorelement 30 erfaßt von der Bauart her eine Sauerstoffkonzentration durch Anlegen einer Spannung jeweils an die erste Elektrode 34 und die zweite Elektrode 35. Daher benötigt er keinen Atmosphärenluft-Sauerstoff als Konzentrationsreferenz.

Nun wird der Betrieb des Sauerstoffsensors anhand von Fig. 6 beschrieben.

Wie in Fig. 6 gezeigt, ist der Sauerstoffsensor 1 in der Abgasleitung 2 mittels des Außengewindes 13 (siehe Fig. 1) derart angebracht, daß die Detektorebene 31 parallel zur Strömungsrichtung des Abgases steht. Das Abgas fließt von stromauf, d. h. von der Motorseite her, wie mit den hohlen Pfeilen (1) gezeigt, und tritt in den Außenzylinder 25 durch die Gasdurchtrittslöcher 25a ein, wie mit den hohlen Pfeilen (2) gezeigt. Nach Eintritt in den Außenzylinder 25 trifft das Abgas auf den Innenzylinder 24 und fließt dann verteilt an dem Innenzylinder vorbei 24 durch die Gasdurchtrittslöcher 24a in letzteren ein, wie mit den hohlen Pfeilen (3) gezeigt. Da die Innenseite des Innenzylinders 24 so angeordnet ist, daß der erste Abstand H1 größer als der zweite Abstand H2 wird, erhält man seitens der Detektorebene 31 einen großen Raum, während man an der Rückseite 32 einen engen Raum erhält. Da der große Raum seitens der Detektorebene 31 die Wirkung hat, daß das Abgas leicht auf die Detektorebene 31 fließt, wie mit den hohlen Pfeilen (4) gezeigt, wird die Detektorebene 31 schnell in Kontakt mit dem Sauerstoff in dem Abgas gebracht. Infolgedessen kann die Ausgabe eines Erfassungssignals früh beginnen, so daß die Ansprechzeit des Sauerstoffsensors 1 kurz wird.

Da die Gasdurchtrittslöcher 24a und 25a des Protektors 21 eine einfache kreisförmige Konfiguration besitzen, kann der Protektor 21 miniaturisiert werden, um die Bearbeitungskosten des Protektors 21 zu senken.

Nachfolgend wird eine zweite Ausführung des Sauerstoffsensors anhand von Fig. 7 erläutert. Hierbei werden für gleiche Teile der Fig. 1 bis 6 gleiche Bezugszahlen verwendet, und ihre Beschreibung wird weggelassen.

Der Sauerstoffsensor 1B umfaßt eine Körpereinheit 10B und eine Sensorelementeneinheit 20, die betriebsmäßig mit der Körpereinheit 10B verbunden ist.

Die Körpereinheit 10B umfaßt ein Körperelement 11B, ein Loch 12, das in einem Endabschnitt des Körperelements 11B gebildet ist, ein Außengewinde 13 und eine Mutter 14, die an dem Körperelement 11B vorgesehen sind, ein Rohr, das an ein Ende des Körperelements 11B angeschweißt ist, einen Gummistopfen 16, der zur Abdichtung einer Endöffnung des Rohrs 15 eingesetzt ist, und einen Raum 17, der in einem entgegengesetzten Ende des Körperelements 11B ausgebildet ist. Das Bezugszeichen C1 bezeichnet eine Mittelachse des Körperelements 11B. C4 bezeichnet eine Mittelachse des Lochs 12B, die um den Abstand Y1 von der Mittelachse C1 des Körperelements 11B versetzt ist.

Wie in Fig. 8 gezeigt, ist der Raum 17 gemeinsam gebildet durch einen Innenflächenabschnitt 51, dessen Mittelpunkt auf der Mittelachse C1 liegt (konzentrisch zum Körperelement 11B), und durch einen Außenflächenabschnitt 52, dessen Mittelpunkt auf der Mittelachse C4 liegt (konzentrisch zum Loch 12), von der der Außenflächenabschnitt 52 um den Abstand Y1 exzentrisch versetzt ist.

Wie in Fig. 9 gezeigt, ist die Detektorebene 31 auf der Mittelachse C2 des Protektors 21 derart angeordnet, daß der erste Abstand H1 von der Detektorebene 31 zur gegenüberliegenden Innenfläche des Innenzylinders 24 größer wird als der zweite Abstand H2 von der Rückfläche 32 zur ihr gegenüberliegenden Innenfläche des Innenzylinders 24.

Zum Betrieb wird, wie in den Fig. 1 und 7 gezeigt, der Sauerstoffsensor 1B an der Abgasleitung P eines Kraftrades derart angebracht, daß die Sensorelementeneinheit 20 innerhalb der Leitung P zu liegen kommt. Wenn das Körperelement 11B und das Rohr 15, das von der Abgasleitung P nach außen vorsteht, von einem Stein oder dgl. getroffen werden, der von der Straße her hochspringt, wird der resultierende Stoß durch den Raum 17 absorbiert, um den Stoß auf das Sensorelement 30 zu minimieren und hierdurch eine Zerstörung des Sensorelements zu verhindern. Auch wenn das Körperelement 11B und das Rohr 15, das von der Abgasleitung P nach außen vorsteht, durch Regen oder Spritzwasser naß werden, puffert die Luft innerhalb des Raums 17 die Wärmeübertragung, um hierdurch eine plötzliche Kühlung und einen Bruch des Sensorelements 30 zu verhindern. Da ferner die Detektorebene 31 derart angeordnet ist, daß der erste Abstand H1 größer wird als der zweite Abstand H2, wie in Fig. 9 gezeigt, erhält man einen größeren Raum seitens der Detektorebene 31 als seitens der Rückfläche 32, wodurch die Detektorebene schnell mit Sauerstoff im Abgas in Kontakt gebracht wird. Infolgedessen kann die erfaßte Signalausgabe schnell gestartet werden. Dies führt zu einem verbesserten Ansprechverhalten des Sauerstoffsensors 1B.

Nun wird anhand von Fig. 10 eine dritte Ausführung des Sauerstoffsensors erläutert. Hierbei werden für gleiche Teile der Fig. 1 bis 9 gleiche Bezugszahlen verwendet, und ihre Beschreibung wird weggelassen.

Der Sauerstoffsensor 1C umfaßt eine Körpereinheit 10C und eine Sensorelemeneteneinheit 20, die betriebsmäßig mit der Körpereinheit 10C verbunden ist.

Die Körpereinheit 10C umfaßt ein Körperelement 11C, ein Loch 12, das in einem Ende des Körperelements 11C ausgebildet ist, ein Außengewinde 13 und eine Mutter 14, die an dem Körperelement 11C ausgebildet sind, ein Rohr 15, das an ein entgegengesetztes Ende des Körperelements 11C geschweißt ist, einen Gummistopfen 16, der zur Abdichtung einer Endöffnung des Rohrs 15 eingesetzt ist, einen Raum 17C, der an dem entgegengesetzten Ende des Körperelements 11C ausgebildet ist, sowie einen Protektorsitzabschnitt 18, der an einem Ende des Körperelements 11C ausgebildet ist. Das Bezugszeichen C5 bezeichnet eine Mittelachse des Protektoreinsetzabschnitts 18.

Wie aus Fig. 10 ersichtlich, ist die Mittelachse C5 des Protektorsitzabschnitts um einen Abstand Y2 von der Mittelachse C1 des Körperelements 11C versetzt. Durch Anbringen eines Protektors 21 an dem Protektorsitzabschnitt 18 kann daher die Mittelachse C2 des Protektors 21 um den Abstand Y2 von der Mittelachse C1 des Körperelements 11C exzentrisch versetzt werden.

Nun zu Fig. 11. Der Raum 17C ist begrenzt durch eine Innenfläche 51, die konzentrisch zu dem Körperelement 11C (mit der Mittelachse C1 als Mittelpunkt) gebildet ist, und durch eine Außenfläche 52, deren Mittelpunkt auf der Mittelachse C4 liegt (konzentrisch zum Loch 12). Der Raum 17C ist somit symmetrisch ausgebildet.

Wie in Fig. 12 gezeigt, ist die Mittelachse C3 des Sensorelements 30 konzentrisch zum Körperelement 11C angeordnet (mit der Mittelachse C1 als Mittelpunkt). Die Mittelachse C2 des Protektors 21 ist um den Abstand Y2 exzentrisch versetzt. Ein erster Abstand H3 von einer oberen Fläche der Detektorebene 31 zu einer gegenüberliegenden Innenfläche des Innenzylinders 24 ist größer ausgebildet als ein zweiter Abstand H4 von einer unteren Rückfläche 32 des Sensorelements zu einer ihr gegenüberliegenden Innenfläche des Innenzylinders 24.

Zum Betrieb wird der Sauerstoffsensor 1C an einer Abgasleitung P eines Kraftrads angebracht, wie in den Fig. 1 und 10 gezeigt, wobei die Sensorelementeneinheit 20 in die Leitung P vorsteht.

Durch die symmetrische Formgebung kann der Raum einen Aufprall eines Steins oder Kiesels aufnehmen, der aus irgendeiner Richtung auf das Körperelement 11C auftrifft. Wenn das Körperelement 11C durch Regen oder Spritzwasser naß wird, dämpft die Luft innerhalb des Raums 17 die Wärmeübertragung, um eine plötzliche Abkühlung des Sensorelements 30 und einen Bruch des Sensorelements 30 zu verhindern. Da der Raum 17C gemäß Fig. 11 symmetrisch ist, ist die Bearbeitung der Innen- und Außenflächen 51, 52 des Innenzylinders 24 vereinfacht. Ferner ist die Mittelachse C2 des Protektors 21 um den Abstand Y2 von der Mittelachse C1 des Körperelements 11C versetzt, so daß der erste Abstand H3 größer wird als der zweite Abstand H4. Im Ergebnis fließt Abgas zuerst auf die Detektorebene 31, um hierdurch die Reaktion des Sauerstoffsensors 1C zu verbessern.

Nun wird anhand von Fig. 13 eine vierte Ausführung des Sauerstoffsensors erläutert. Hierbei werden für gleiche Teile der Fig. 1 bis 12 gleiche Bezugszahlen verwendet, und ihre Beschreibung wird weggelassen.

Der Sauerstoffsensor 1D umfaßt eine Körpereinheit 10D und eine Sensorelementeneinheit 20D, die betriebsmäßig mit der Körpereinheit 10D verbunden ist.

Die Körpereinheit 10D umfaßt ein Körperelement 11D, ein Loch 12, das in einem Endabschnitt des Körperelements 11D ausgebildet ist, ein Außengewinde 13 und eine Mutter 14, die an dem Körperelement 11D vorgesehen sind, ein Rohr 15, das an ein entgegengesetztes Ende des Körperelements 11 geschweißt ist, einen Gummistopfen 16, der zur Abdichtung einer Endöffnung des Rohrs 15 angesetzt ist, und einen Raum 17C, der im entgegengesetzten Ende des Körperelements 11D ausgebildet ist. In dieser Figur sind alle diese Komponententeile symmetrisch angeordnet.

Das Sensorelement 20D umfaßt einen Protektor 21, der an das Körperelement 11D geschweißt ist, und ein Sensorelement 30D, das in das Loch 12 des Körperelements 11D eingesetzt ist. Das Bezugszeichen C6 bezeichnet eine Mittelachse des Sensorelements 30D.

Wie in Fig. 14 gezeigt, umfaßt das Sensorelement 30D eine in dessen Mitte angeordnete erste Festelektrolytschicht 33, eine erste Elektrode 34, die mit einer Oberfläche der ersten Festeleketrolytschicht 33 verbunden ist, eine zweite Elektrode 35, die mit einer entgegengesetzten Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 33 verbunden ist, eine Schutzschicht 36, die die zweite Elektrode 35 abdeckt, eine zweite Festelektrolytschicht 37, die mit der ersten Elektrode 34 verbunden ist, eine Heizplatte 40, die mit der zweiten Festelektrolytschicht 37 verbunden ist, eine Schutzschicht 54, die die Heizplatte 40 abdeckt, sowie eine Blindschicht 55, welche die Schutzschicht 54 abdeckt. Das Sensorelement 30D hat die Form eines rechtwinkligen oder quadratischen Pfostens und hat daher einen allgemeinen rechtwinkligen oder quadratischen Querschnitt.

Die Schutzschicht 54 hat die Form eines Keramikfilms und schützt die Heizplatte 40. Ähnlich hat die Blindschicht 55 die Form eines Keramikfilms, dessen Dicke nach Wunsch ausgebildet werden kann. Obwohl die Blindschicht gemäß Darstellung einen allgemein rechteckigen Querschnitt hat, kann sie auch andere Formen haben. Beispielsweise kann die Schicht einen vertikal langgestreckten rechtwinkligen Querschnitt haben. Die Bezugszahl 56 bezeichnet eine Rückfläche der Blindschicht 55.

Nun zu Fig. 15, die einen Schnitt entlang Linie 15-15 von Fig. 13 ist. Wie in Fig. 15 gezeigt, ist das Sensorelement 30D so angeordnet, daß dessen Mittelachse C6 konzentrisch zum Körperelement 11D angeordnet ist (mit der Mittelachse C1 als dessen Mittelpunkt). Die Blindschicht 55 ist an der Unterseite des Sensorelements 30D angeordnet. Ein erster Abstand H5 ist größer als ein zweiter Abstand H6. Der erste Abstand H5 reicht von der Detektorebene 31 an einer Fläche des Sensorelements 30D zu einer gegenüberliegenden Innenumfangsfläche des Innenzylinders 24 des Protektors 21, während der zweite Abstand H6 von der Rückfläche 56 an der entgegengesetzten Unterseite des Sensorelements 30D zu einer gegenüberliegenden Innenumfangsfläche des Innenzylinders 24 des Protektors 21 reicht.

Da das Körperelement 11D gemäß Fig. 13 symmetrisch ausgebildet ist, ist die Bearbeitung des Körperelements 11D erleichtert. Dies führt zu geringeren Herstellungskosten des Elements 11D.

Da ferner die Mittelachse C1 des Körperelements 11D, die Mittelachse 2C des Protektors 21 und die Mittelachse C6 des Sensorelements 30D zusammenfallen, wird ein automatisierter Zusammenbau und Schweißvorgang möglich, was zu reduzierten Herstellungskosten führt.

Die Blindschicht 55 braucht nicht notwendigerweise so angeordnet sein, daß sie sich über einen Hauptlängsteil des Sauerstoffsensors 1D erstreckt. Dies ermöglicht das Vorsehen eines Sauerstoffsensors, der von den Abmessungen klein ist, vom Gewicht her leicht und einfach herzustellen ist.

Das Sensorelement 30D ist mit der Blindschicht 55 versehen und hat ebenfalls eine einfache Konfiguration ohne Löcher und komplizierte Abschnitte. Somit ist es unwahrscheinlich, daß in dem Sensorelement Spannungskonzentrationen infolge von Vibrationen oder Stößen entstehen, wodurch das Schlechterwerden der Vibrations- und Stoßbeständigkeitseigenschaften des Sensorelements verhindert wird.

Das Vorsehen der Blindschicht 55, wie in Fig. 15 gezeigt, bewirkt, daß das Sensorelement 30D einen allgemein rechtwinkligen oder quadratischen Querschnitt hat, wodurch der erste Abstand H5 größer gemacht werden kann als der zweite Abstand H6 auch dann, wenn das Sensorelement 30D konzentrisch zum Körperelement 11D angeordnet ist (mit der Mittelachse) C1 als dessen Mitte). Infolgedessen erreicht Abgas, das in den Protektor 21 hineingeströmt ist, die Detektorebene 31 in kurzer Zeitdauer, um hierdurch die Ansprechzeit des Sauerstoffsensors 1D zu verkürzen.

Indem man die Blindschicht 55 dicker macht, wird es möglich, den zweiten Abstand H6 kürzer zu machen, während der erste Abstand H5 unverändert bleibt. Infolgedessen wird der Abgasstrom auf die Detektorebene 31 beschleunigt, was die Ansprechzeit des Sauerstoffsensors 1D weiter verkürzt.

Wenn an das Sensorelement 30 eine elektrische Spannung angelegt wird, fängt Sauerstoff im Abgas Elektronen durch Aktivierung der zweiten Elektrode 35 zur Umwandlung in Sauerstoffionen (O^2-). Die Sauerstoffionen durchdringen die erste Festelektolytschicht 33, wie mit dem Pfeil (5) in Fig. 6 gezeigt. Infolgedessen lösen die Sauerstoffionen, unmittelbar nach Erreichen der ersten Elektrode 34, die Elektronen seitens der ersten Elektrode 34, so daß sie in der zweiten Festelektrolytschicht 37 als Sauerstoff verbleiben. Zwischen den Elektroden fließt ein Strom in Abhängigkeit vom Oxidations/Reduktionsgrad des Sauerstoffs, so daß eine Änderung der Sauerstoffkonzentration im Abgas als Stromwert erfaßt werden kann. Das Anlegen einer Spannung zum Erzeugen von Sauerstoff und zum Erfassen eines die Sauerstoffkonzentration anzeigenden Stroms erfolgt durch eine nicht gezeigte Steuereinheit.

Ein Sauerstoffsensor 1 umfaßt ein plattenartiges Sensorelement 30, an dessen einer Seitenfläche eine Detektorebene 31 zum Erfassen von Sauerstoff ausgebildet ist, sowie einen zylindrischen Protektor 21, der das Sensorelement 30 umgibt. Das Sensorelement 30 und der Protektor 21 sind in einer Abgasleitung einer Maschine anordbar, um eine im Abgas von der gegenüberliegenden Innenumfangsfläche des Protektors 21. Da der erste Abstand größer ist als der zweite Abstand, wird der Raum seitens der Detektorebene 31 größer, wodurch das Abgas stabil auf die Detektorebene 31 fließt, um das Ansprechverhalten des Sauerstoffsensors zu verbessern.

Claims (4)

1. Sauerstoffsensor, umfassend ein plattenartiges Sensorelement (30), das an seiner einen Seitenfläche (31) eine Detektorebene (31) zur Erfassung von Sauerstoff aufweist; sowie einen zylindrischen Protektor (21), der das Sensorelement (30) umgibt, wobei das Sensorelement (30) und der Protektor (21) in einer Abgasleitung (P) einer Maschine anzuordnen sind, um eine im Abgas von der Maschine enthaltene Sauerstoffkomponente zu erfassen,
wobei ein erster Abstand (H1; H3; H5) von der einen Seitenfläche (31) des Sensorelements (30) zu einer gegenüberliegenden Innenumfangsfläche des Protektors (21) größer ist als ein zweiter Abstand (H2; H4; H6) von einer entgegengesetzten Seitenfläche (32) des Sensorelements (30) zu einer gegenüberliegenden Innenumfangsfläche des Protektors (21).

2. Sauerstoffsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mittelachse (C3) des Sensorelements (30) von einer Mittelachse (C2) des Protektors (21) oder eines Körperelements (10), an dem der Protektor (21) angebracht ist, versetzt ist.

3. Sauerstoffsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement (30) die Form eines rechtwinkligen oder quadratischen Pfostens mit einem allgemein rechtwinkligen oder quadratischen Querschnitt hat.

4. Sauerstoffsensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelachse (C1) des Körperelements (10D), an dem der Protektor (21D) angebracht ist, die Mittelachse (C2) des Protektors (21D) und die Mittelachse (C6) des rechtwinkligen oder quadratpfostenförmigen Sensorelements (30D) zusammenfallen, wobei eine Blindschicht (55) an einer Seitenfläche des rechtwinkligen oder quadratpfostenförmigen Sensorelements (30D) angeordnet ist, die von jener Oberfläche, an der die Detektorebene ausgebildet ist, entgegengesetzt ist.