DE2211585A1 - Messfuehler fuer die bestimmung des sauerstoffgehaltes in abgasen, vorwiegend von verbrennungsmotoren - Google Patents
Messfuehler fuer die bestimmung des sauerstoffgehaltes in abgasen, vorwiegend von verbrennungsmotorenInfo
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Description
κ. 0810
6.3.1972 Pf/Dr
Anlage zur
Patent- und
Gebrauchsmus te rhi1fs anmeldung
Meßfühler für die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in
Abgasen, vorwiegend von Verbrennungsmotoren
Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrochemischen Meßfühle für die Bestimmung des Säuerstoffgehaltes in Abgasen, v
vorwiegend von Verbrennungsmotoren, mittels einer Sauerstoffkonzentrationskette
mit ionenleitendem Pestelektrolyten, wobei der Festelektrolyt die Form eines einseitig geschlossenen
Rohres hat,
Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren erzeugen in ihrem Abgas u.a. Kohlenmonoxid, Stickoxide sowie unverbrannte oder teilver- ·
brannte Kohlenwasserstoffe, die zur Luftverunreinigung beitragen. Um die durch diese Stoffe hervorgerufene Luftverunreinigung auf
einen Minimalwert herab zudrücker;, ist es erforderlich, die Abgase von Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren möglichst weitgehend
von diesen Stoffen zu befreien. Das bedeutet, daß Kohlenmonoxid
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und Kohlenwasserstoffe möglichst vollständig in ihre höchste Oxidationsstufe, Kohlendioxid und - im Falle der Kohlenwasserstoffe
- Wasser, bzw. Stickoxide in elementaren Stickstoff und Sauerstoff übergeführt werden müssen.
Eine solche überführung der schädlichen Anteile des Abgases in
die unschädlichen Verbindungen Kohlendioxid, Stickstoff und Wasser kann z. B. dadurch geschehen, daß man die Abgase einer Nachverbrennung
unterwirft, indem man sie bei Temperaturen oberhalb etwa 600°.C über Katalysatoren leitet. Voraussetzung für den
Erfolg ist jedoch, daß das Abgas in seiner Zusammensetzung so eingestellt wird, daß eine praktisch vollständige Umsetzung zu den unschädlichen
Verbindungen überhaupt möglich ist, d.h. das Verhältnis Luft zu Brennstoff muß nahezu stöchiometrisch sein, was man bekanntlich
mit einem X -Wert nahe 1 kennzeichnet. Bezüglich des Sauerstoffgehaltes des Abgases bedeutet dies für λ. =1, daß
kein über die Gleichgewichtsmenge der verschiedenen möglichen Reaktionen hinausgehender "überschüssiger" Sauerstoff vorhanden
ist, während bei X> 1 "überschüssiger" Sauerstoff in dem Gemisch vorliegt. Bei X=I geht also das Abgas vom reduzierenden in
den oxidierenden Zustand über.
Für die Einhaltung eines X -Wertes von etwa 1 ist es erforderlich,
einen Meßfühler in den Weg des Abgases zu bringen, der z. B. den Sauerstoffgehalt bestimmt und über eine Regeleinrichtung
die richtige Einstellung der Abgaszusammensetzung bewirkt.
Bekannte derartige Meßfühler beruhen auf dem Prinzip der Sauerstoffkonzentrationskette
mit ionenleitendem Festelektrolyten. Ein bekannter Fühler dieser Art ist fest in die Wand des
Abgasauslasses eingebaut. Das hat den Nachteil, daß sich ein solcher Meßfühler nur sehr umständlich auswechseln
läßt. Die Möglichkeit des Auswechselns sollte jedoch gegeben sein, da es vorkommen kann, daß* der Meßfühler defekt
wird oder eine Lebensdauer hat, dio kleiner ist als die
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des Abgasauslasses, in den der Meßfühler eingebaut ist.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen elektrochemischen
Meßfühler für die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Abgasen anzugeben, der so konstruiert ist, daß er sich in
einfacher Weise austauschen läßt, wobei auch die für den Betrieb des Meßfühlers notwendigen elektrischen Anschlüsse leicht wiederherzustellen
sind.
Die äußere Oberfläche des Pestelektrolytrohres trägt eine elektronenleitende, als äußere Elektrode dienende Schicht, die
die Einstellung des Gasgleichgewichtes zu katalysieren vermag,
während sich in dem Hohlraum des Pestelektrolytrohres eine mit diesem verbundene innere Elektrode befindet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das
Festelektrolytrohr an seinem offenen Ende einen Bund aufweist,
daß die elektronenleitende Schicht oder eine mit dieser elektrisch verbundene Leiterbahn bis auf den Bund reicht, das Festelektrolytrohr
sich in einer seiner Form angepaßten Metallfassung mit Einschraubgewinde
befindet und ein freier Raum zwischen dem Bund und der Fassung mit einer elektrisch leitenden, bei den an dieser
Stelle auftretenden Temperaturen von 350 bis 450° C beständigen
Dichtungsmasse ausgefüllt ist, so daß ein elektrischer Kontakt zwischen der elektronenleitenden Schicht und der Passung
besteht.
Es ist darüber hinaus günstig, wenn auch die innere Elektrode bis in den Bereich des Bundes reicht und sich in dem offenen Teil .
des Festelektrolytrohres ein mit mindestens einer Bohrung oder einem Schlitz versehener Kontaktnippel befindet und'der
freie Raum zwischen dem Kontaktnippel und der Innenwandung des Bundes mit einer elektrisch leitenden, bei den an dieser
Stelle auftretenden Temperaturen von 350 bis 450° C beständigen
Dichtungsmasse ausgefüllt ist, so daß ein elektrischer
Kontakt zwischen der inneren Elektrode und dem Kontak.tnippel
besteht. . , i>
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über der elektrisch leitenden Dichtungsmasse zwischen Pestelektrolyt
und Metallfassung bzw. Kontaktnippel befinden sich als Druckstempel dienende Metallringe, die gegebenenfalls
durch Umbördeln oder Verschrauben mit der äußeren Metallfassung bzw· mit dem Kontaktnippel mechanisch verbunden sind.
Die elektrisch leitende Dichtungsmasse kann aus elektrisch leitendem Schmelzfluß oder aus einem Gemisch von plastischen
silikatischen Rohstoffen wie Talkum und/oder Kaolin und Metallpulver bestehen. Der genannte elektrisch leitende
Schmelzfluß besteht aus einem Gemisch zweier Komponenten, wobei die eine Komponente Glas ist, während die andere
Komponente elektronenleitende Stoffe darstellt wie Metalle, elektronenleitende Oxide, Hartstoffe oder Kohlenstoff
sowie Mischungen hieraus. Besonders bewährt haben sich Kupfer, Eisen, Nickel, ein Gemisch von Eisen und Graphit,
Silicium, Siliciumcarbid, Ruß, Fe2O /Pe O^ und Cu2O.Cr3O .
Diese Stoffe liegen in dem elektrisch leitenden Einschmelzglas in einer Menge von 10 bis 50 Vol.-i, insbesondere 15 bis MO
Vol.-i vor. Der Transformationspunkt der Glasphase liegt bei 1IOO bis
550°-C.
Bei Verwendung von plastischen silikatischen Rohstoffen wie Talkum und/oder Kaolin und Metallpulver als elektrisch leitende
Dichtungsmasse liegt das Metall, insbesondere Aluminium, in einer Menge von 10 bis 50 Vol.-?, insbesondere 20 bis 25 Vol.-SS vor.
Die Erfindung soll im folgenden anhand eines Beispiels näher erläutert werden. Die Figur zeigt einen Schnitt durch den
erfindungsgemäßen Meßfühler.
Der Meßfühler enthält das einseitig geschlossene Festelektrolytrohr
10, das an seinem offenen Ende einen Bund 11 trägt. Das Fest-
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elektrolytrohr besteht aus stabilisiertem kubischem Zirkondioxid.
Auf der äußeren Oberfläche des Festelektrolytrohres 10 befindet sieh eine Platinschieht 12 von etwa 10 m Dicke. Diese Platin^
schicht bedeckt auch weitgehend die Oberfläche des Bundes 11,
In dem Hohlraum des Festelektrolytrohres 10 ist die innere Elektrode 13 in Form einer Leiterbahn angebracht. Die innere
Elektrode 13 besteht ebenfalls aus Platin und wird durch Aufpinseln einer Platinsuspension auf die innere Oberfläche des
Rohres und anschließendes Einbrennen hergestellt. Die innere Elektrode 13 reicht ebenfalls bis in den Bereich des Bundes 11.
Das Festelektrolytrohr 10 sitzt mit seinem Bund 11 in einer entsprechend
geformten Fassung 14 aus Stahl, die außen ein Gewinde
15 zum Einschrauben des Meßfühlers trägt. Zwischen dem Bund 11 des Rohres 10 und der Fassung 14 befindet sich ein elektrisch
leitender Schmelzfluß 16. Dieser Schmelzfluß dient zur mechanischen Verbindung von Festelektrolytrohr 10 und Fassung
und gewährleistet zugleich den elektrischen Kontakt zwischen der äußeren Platinschieht 12 und der Fassung 14, Außerdem ist durch
den Schmelzfluß eine Abdichtung zwischen Festelektrolytrohr und Fassung sichergestellt. Eine solche gasdichte Verbindung beider
Teile ist wichtig, da in das Innere des Festelektrolytrohres 10 eindringende Abgase zu einer Änderung des Sauerstoff-Partialdruekes
an der inneren Elektrode 13 führt und damit Mischpotentiale gemessen werden.
Im oberen Teil des Hohlraumes des Festelektrolytrohres 10
befindet sich ein Kontaktnippel 18, der mit dem gleichen elektrisch leitenden Schmelzfluß 16 mechanisch fixiert
ist und gleichzeitig den elektrischen Kontakt zwischen der inneren Elektrode 13 und dem Kontaktnippel 18 herstellt,
über dem elektrisch leitenden Schmelzfluß 16 befinden ,
sich Stahlringe 17 bzw. 19, die als Druckstempel zum
Zusammenpressen des elektrisch leitenden Schmelzflusses
dienen. Der Kontaktnippel 18 ist mit einer: .Bohrung _20 .versehen,
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die einen ungehinderten Zutritt der als Bezugsgröße dienenden Umgebungsluft in den Hohlraum des Rohres 10 gestattet.
Die Platinschicht 12 ist zum Schutz vor mechanischen und
chemischen Beschädigungen mit einer ca. 200 yt^m dicken porösen
Schicht 21 aus Lanthan-Kobalt-Oxid, das mit Strontiumoxid
dotiert ist, versehen.
Der elektrisch leitende Schmelzfluß 16 besteht aus 60
Gew.-? Kupferschliff und 40 Gew.-? Glas von einer Korngröße
< 60 ^m, das folgende Zusammensetzung aufweist: 60,9 Gew.-?
SiO2, 28,4 Gew.-? B3O 9,2 Gew.-? Na3O und 0,8 Gew.-? Al2O5.
Die Komponenten werden trocken gemischt und zur Erzielung einer besseren Dosierbarkeit nach bekannten Verfahren, z.B.
durch Zusatz von organischen Bindemitteln granuliert.
Das Pestelektrolytrohr 10 wird in die Fassung 14 und der Kontaktnippel i8 in die dafür vorgesehene Bohrung im Pestelektrolytrohr
eingelegt. Anschließend werden Ringe, die vorher aus dem oben beschriebenen Glas-Kupfer-Granulat bei
ρ
eineiu Druck von ca. 600 kp/cm gepreßt wurden, und darauf die Metallringe 17 und 19 in die Ringspalte zwischen Pestelektrolytrohr 10 und Fassung 14 bzw. Kontaktnippel 18 eingelegt.
eineiu Druck von ca. 600 kp/cm gepreßt wurden, und darauf die Metallringe 17 und 19 in die Ringspalte zwischen Pestelektrolytrohr 10 und Fassung 14 bzw. Kontaktnippel 18 eingelegt.
Man kann auch das Granulat direkt in die Ringspalte eindosieren und durch Einpressen vorverdichten. Dieses Verfahren hat jedoch
die Nachteile, daß einmal die gleichmäßige Dosierung des Granulates in die nur ca. 2 mm breiten Spalte schwierig
durchzuführen ist und daß beim Vorverdichten nur verhältnismäßig niedrige Drücke angewendet werden können, da sonst das Festelektrolytrohr
zerstört würde.
Die ve ^espreßten Ringe aus Glas-Kupfer-Granulat sollen die
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Ringspalte bis etwa 1 bis 2 mm unter der Fassungs- bzw. Festelektrolytrohr-Oberkante ausfüllen, so daß die darauf
aufgelegten Stahlringe 17 und 19 etwa 4 bis 5 mm über die Oberkante der Fassung überstehen*
Der so vormontierte Meßfühler wird in einer entsprechenden
Halterung aus zunderfestem Material angeordnet und in einem Ofen auf ca. 82O°C erhitzt. Unmittelbar nach Entnehmen aus dem
Ofen werden in heißem Zustand die beiden Metallringe 17 und
19 mit einem Preßdruck von ca. 50 kp/cm eingepreßt. Dadurch
wird das erweichte Granulat verdichtet und in sämtliche
Hohlräume gepreßt,so daß die beiden Ringspalte einwandfrei mit dem
elektrisch leitenden Schmelzfluß 16 ausgefüllt sind. Nach dem Einpressen wird der Druck solange aufrechterhalten, bis die
Glasschmelze unter ihre Transformationstemperatur von etwa 5OO°C abgekühlt ist.
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Claims (8)
1.) Elektrochemischer Meßfühler für die Bestimmung des Sauerstoff gehaltes in Abgasen, vorwiegend von Verbrennungsmotoren,
mittels einer Sauerstoffkonzentrationskette mit ionenleitendem Pestelektrolyten, wobei der Pestelektrolyt die Form eines
einseitig geschlossenen Rohres hat, auf dessen äußerer Oberfläche sich eine elektronenleitende Schicht und in dessen
Hohlraum sich eine innere Elektrode befindet, dadurch gekennzeichnet, daß das Pestelektrolytrohr (10) an seinem offenen
Ende einen Bund (11) aufweist, daß die elektronenleitende Schicht (12) oder eine mit dieser elektrisch verbundene Leiterbahn bis
auf den Bund (11) reicht, das Festelektrolytrohr (10) sich in einer seiner Form angepaßten Metallfassung (14) mit Einschraubgewinde
(15) befindet und ein freier Raum zwischen dem Bund (11) und der Passung (1*1) mit einer elektrisch leitenden, bei den
an dieser Stelle auftretenden Temperaturen beständigen Dichtungsmasse (16) ausgefüllt ist, so daß ein elektrischer
Kontakt zwischen der elektronenleitenden Schicht (12) und der Fassung (14) besteht.
2. Elektrochemischer Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die innere Elektrode (J.3) bis in den Bereich des Bundes (11) reicht, daß sich in dem offenen Teil des
Pestelektrolytrohres (10) ein mit mindestens einer Bohrung oder einem Schlitz (20) versehener Kontaktnippel (18) befindet
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und der freie Raum zwischen dem Kontaktnippel (18) und der Innenwandung des Bundes (11) mit einer elektrisch
leitenden, bei den an dieser Stelle auftretenden Temperaturen beständigen Dichtungsmasse (16) ausgefüllt ist, so daß
ein elektrischer Kontakt zwischen der inneren Elektrode (13) und dem Kontaktnippel (18) besteht.
3· Meßfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß sich über der elektrisch leitenden Dichtungsmasse (l6) Metallringe (17) bzw, (19) befinden, die gegebenenfalls durch
Umbördeln oder Verschrauben mit der Metallfassung (I1I)
mechanisch verbunden sind.
4, Meßfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die elektrisch leitende Dichtungsmasse (16) aus elektrisch leitendem Schmelzfluß oder aus einem Gemisch
von plastischen silikatischen Rohstoffen wie Talkum und/oder Kaolin und Metallpulver besteht,
5· Meßfühler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der als Dichtungsmasse verwendete elektrisch leitende Schmelzfluß
aus einem Gemisch von Glas sowie von elektronenleitenden Stoffen wie Metallen, elektronenleitenden Oxiden, Hartstoffen
oder Kohlenstoff und Mischungen hieraus besteht.
6. Meßfühler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der als Dichtungsmasse verwendete, elektrisch leitende Schmelz-
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fluß als elektronenleitende Stoffe Kupfer, Eisen, Nickel, ein Gemisch von Eisen und Graphit, Silicium,
Siliciumcarbid, Ruß, Pe2O /Fe3O4 oder Cu2O.Cr3O enthält.
7. Meßfühler nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronenleitende Stoff mit einem Anteil von
10 bis 50 Vol.-i, insbesondere 15 - 1JO Vol.-iß in dem elektrisch
leitenden Schmelzfluß vorliegt.
8. Meßfühler nach Anspruch ^, dadurch gekennzeichnet, daß die
v elektrisch leitende Dichtungsmasse aus Talkum, gegebenenfalls
unter Zusatz von Kaolin oder anderen plastischen, silikatischen Rohstoffen, und 10 bis 50 Vol.-%, insbesondere 20 bis
25 Υοΐ.-Ϊ eines Metallpulvers, insbesondere Aluminium,
besteht.
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Priority Applications (11)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| GB1146373A GB1403685A (en) | 1972-03-10 | 1973-03-09 | Measuring sensors for determining the oxygen content of the exhaust gases of internal combustion engines |
| AU53149/73A AU479218B2 (en) | 1972-03-10 | 1973-03-09 | An electrochemical measuring sensor |
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| DE19732343428 DE2343428A1 (de) | 1972-03-10 | 1973-08-29 | Elektrochemischer messfuehler fuer die bestimmung des sauerstoffgehaltes in abgasen, insbesondere in abgasen von verbrennungsmotoren |
Applications Claiming Priority (1)
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| DE19722211585 DE2211585C3 (de) | 1972-03-10 | Meßfühler für die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Abgasen, vorwiegend von Verbrennungsmotoren |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE2211585A1 true DE2211585A1 (de) | 1973-09-13 |
| DE2211585B2 DE2211585B2 (de) | 1976-04-01 |
| DE2211585C3 DE2211585C3 (de) | 1977-07-28 |
Family
ID=
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE2608487A1 (de) * | 1975-03-03 | 1976-09-23 | Nippon Soken | Gasdetektor |
| EP0023439A1 (de) * | 1979-07-25 | 1981-02-04 | Bendix Autolite Corporation | Elektrochemischer Gassensor |
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| EP0023439A1 (de) * | 1979-07-25 | 1981-02-04 | Bendix Autolite Corporation | Elektrochemischer Gassensor |
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| NL7303361A (de) | 1973-09-12 |
| BR7301420D0 (pt) | 1974-06-27 |
| US3841987A (en) | 1974-10-15 |
| IT973113B (it) | 1974-06-10 |
| FR2176347A5 (de) | 1973-10-26 |
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| GB1403685A (en) | 1975-08-28 |
| JPS5317318B2 (de) | 1978-06-07 |
| JPS491285A (de) | 1974-01-08 |
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