DE2211585C3 - Meßfühler für die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Abgasen, vorwiegend von Verbrennungsmotoren - Google Patents

Description

Festelektrolyten, wobei der Festelektrolyt die

Form eines einseitig geschlossenen, mit seinem
offenen Ende in einer Metallfass.ung mit Ein- i°

schraubgewinde befindlichen Rohres hat, auf des- .
sen äußerer Oberfläche sich eine elektronen-- Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrotende Schicht und in dessen Hohlraum sich eine chemischen Meßfühler für die Bestimmung des innere Elektrode befindet, dadurch gekenn- Sauerstoffgehaltes in Abgasen, vorwiegend von Verzeichnet, daß das Festelektrulytrohr (10) an 15 brennungsmotoren, mittels einer Sauerstofflconzentraseinem offenen Ende einen Bund (11) aufweist, tionskette mit ionenleitendem Festelektrolyten, wobei daß die elektronenleitende Schicht (12) oder eine der Festelektrolyt die Form eines einseitig geschlossenst dieser elektrisch verbundene Leiterbahn bis nen, mit seinem offenen Ende in einer Metallfassung auf den Bund (U) reicht, daß die Metallfassung mit Einschraubgewinde befindlichen Rohres hat, auf (14) eine dem Bund (11) des Festelektrolytrohrs 20 dessen Oberfläche sich eine elektronenleitende Schicht

(10) angepaßte Form hat und daß ein freier Raum und in dessen Hohlraum sich eine Elektrode befindet, zwischen dem Bund (U) und der Fassung (14) Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren erzeugen in mit einer elektrisch leitenden, bei den an dieser ihrem Abgas unter anderem Kohlenmonoxid, Stick-Stelle auftretenden Temperaturen beständigen oxide sowie unverbrannte oder teilverbrannte Koh-Dichtungsmasse (16) aufgefüllt ist. 25 lenwasserstoffe, die zur Luftverunreinigung beitragen.

2. Elektrochemischer Meßfühler nach An- Um die durch diese Stoffe hervorgerufene Luftverunspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die innere reinigung auf einen Minimalwert herabzudrücken, ist Elektrode (13) bis in den Bereich des Bundes es erforderlich, die Abgase von Kraftfahrzeug-Ver-

(11) reicht, daß sich in dem offenen Teil des brennungsmotoren möglichst weitgehend von diesen Festelektrolytrohres (10) ein mit mindestens einer 30 Stoffen zu befreien. Das bedeutet, daß Kohlen-Bohrung oder einem Schlitz (20) versehener Kon- monoxid und Kohlenwasserstoffe möglichst vollstäntaktnippel (18) befindet und der freie Raum zwi- dig in ihre höchste Oxidationsstufc, Kohlendioxid und sehen dem Kontaktnippel (18) und der Innen- — im Falle der Kohlenwasserstoffe — Wasser bzw. wandung des Bundes (11) mit einer elektrisch lei- Stickoxide in elementaren Stickstoff und Sauerstoff tenden, bei den an dieser Stelle auftretenden Tem- 35 übergeführt werden müssen.

peraturen beständigen Dichtungsmasse (16) aus- Eine solche Überführung der schädlichen Anteile

gefüllt ist. des Abgases in die unschädlichen Verbindungen Koh-

3. Meßfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch lendioxid, Stickstoff und Wasser kann z. B. dadurch gekennzeichnet, daß sich über der elektrisch lei- geschehen, daß man die Abgase einer Nachverbrentenden Dichtungsmasse (16) Metallringe (17 bzw. 40 nung unterwirft, indem man sie bei Temperaturen 19) befinden, die durch Umbördcln oder Ver- oberhalb etwa 600° C über Katalysatoren leitet Vorschrauben mit der Metallfassung (14) mechanisch aussetzung für den Erfolg ist jedoch, daß das Abgas verbunden sind. in seiner Zusammensetzung so eingestellt wird, daß

4. Meßfühler nach einem der vorhergehenden eine praktisch vollständige Umsetzung zu den unAnsprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elek- 45 schädlichen Verbindungen überhaupt möglich ist, trisch leitende Dichtungsmasse (16) aus elektrisch d. h., das Verhältnis Luft zu Brennstoff muß nahezu leitendem Schmelzfluß oder aus einem Gemisch stöchiometrisch sein, was man bekanntlich mit einem von plastischen silikatischen Rohstoffen wie Tal- Α-Wert nahe 1 kennzeichnet. Bezüglich des Sauerstoffkum und/oder Kaolin und Metallpulver besteht. gehaltes des Abgases bedeutet dies für λ ^ 1, daß kein

5. Meßfühler nach Anspruch 4, dadurch ge- 50 über die Gleichgewichtsmenge der verschiedenen kennzeichnet, daß der elektrisch leitende Schmelz- möglichen Reaktionen hinausgehender »überschüsfluß aus einem Gemisch von Glas sowie von elek- siger« Sauerstoff vorhanden ist, während bei A> 1 tronenleitenden Stoffen wie Metallen, elektronen- »überschüssiger« Sauerstoff in dem Gemisch vorliegt, leitenden Oxiden, Hartstoffen oder Kohlenstoff Bei λ — 1 geht also das Abgas vom reduzierenden in und Mischungen hieraus besteht. 55 den oxidierenden Zustand über.

6. Meßfühler nach Anspruch 5, dadurch ge- Für die Einhaltung eines λ-Wertes von etwa 1 ist es kennzeichnet, daß der elektrisch leitende Schmelz- erforderlich, einen Meßfühler in den Weg des Abgases fluß als elektronenleitende Stoffe Kupfer, Eisen, zu bringen, der z. B. den Sauerstoffgehalt bestimmt Nickel, ein Gemisch von Eisen und Graphit, SiIi- und über eine Regeleinrichtung die richtige Einsielcium, Siliciumcarbid, Ruß, Fe₂CyFe₃O₄ oder 6° lung der Abgaszusammensetzung bewirkt.

Cu.,O · Cr₂O₃ enthält. Bekannte derartige Meßfühler beruhen auf dem

7. Meßfühler nach Anspruch 5 oder 6, dadurch Prinzip der Sauerstoffkonzentrationskette mit ionengekennzeichnet, daß der elektronenleitende Stoff leitendem Festelektrolyten. Ein bekannter Fühler diemit einem Anteil von 10 bis 50 Volumprozent, ser Art ist fest in die Wand des Abgasauslasses eininsbesondere 15 bis 40 Volumprozent in dem elek- ⁶5 gebaut. Das hat den Nachteil, daß sich ein solcher trisch leitenden Schmelzfluß vorliegt. Meßfühler nur sehr umständlich auswechseln läßt.

8. Meßfühler nach Anspruch 4, dadurch ge- Die Möglichkeit des Auswechselns sollte jedoch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitende Dich- geben sein, da es vorkommen kann, daß der Meß-

fühler defekt wird oder eine Lebensdauer hat, die haben sich Kupfer, Eisen, Nickel, ein Gemisch von

Vleiner ist als die des Abgasauslasscs, in den der Meß- Eisen und Graphit, Silicium, Siliciumcarbid, Ruß,

fühler eingebaut ist. Fc₁O₁₁ZFc₁O, und Cu₂O-Cr₁O,. Diese Stoffe liegen

Meßfühler in Form einseitig geschlossener Rohre, in "dem elektrisch leitenden "Einschmelzglas in einer die sich mit ihrem offenen Ende in einer Metallfas- 5 Menge von IO bis 50 Volumprozent, insbesondere 15

snng mit Einschraubgewinde befinden, sind aus der bis 40 Volumprozent, vor. DerTransformalionspunkl

GB-PS 1118 655 bekannt. Hier wird jedoch die der Glasphase liegt bei 400 bis 550⁰C.

äußere Elektrode am geschlossenen Ende weggeführt Bei Verwendung von plastischen >,ilikatischcn Roh-

und die innere Elektrode mittels eines Platindrahtes stoffen wie Talkum und/oder Kaolin und Metalldirekt an der Metallfassung befestigt. Abdichtungs- io pulver als elektrisch leitende Dichtungsmasse liegt das

probleme treten bei dieser Konstruktion nicht auf, da Metall, insbesondere Aluminium, in einer Menge von

der Übergang vom Feslelektrolytrohr zur Metallfas- 10 bis 50 Volumprozent, insbesondere 20 bis 25 Vo-

sung konstruktionsbedingt nicht übermäßig erwärmt lumprozent, vor.

wird, so daß auch keine Gefahr der Vermischung von Die Erfindung soll im folgenden an Hand eines

Meßgas und Referenzgas besteht. ₁₅ Beispiels näher erläutert werden. Die Figur zeigt einen

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen in Schnitt durch den erfindungsgemäßen Meßfühler,

einer Metallfassung mit Schraubgewinde befindlichen Der Meßfühler enthält das einseitig geschlossene

elektrochemischen Meßfühler für die Bestimmung Festelektrolytrohr 10, das an seinem offenen Ende

des Sauerstoff geh altes in Abgasen anzugeben, der so einen Bund 11 trägt. Das Festelektrolyt rohr besteht

in die Metallfassung eingebaut ist, daß er auch bei 20 aus stabilisiertem kubischem Zirkondioxid. Auf der

höheren Temperaturen sowie bei Temperaturwechsel äußeren Oberfläche des Festelektrolytrohres 10 bc-

gasdicht ist und bleibt und gleichzeitig einwandfreie findet sich eine Platinschicht 12 von etwa 10 um

elektrische Kontakte zu den Abnahmestellen aufweist, Dicke. Diese Platinschicht 12 bedeckt auch weit-

wobei die elektrischen Anschlüsse im Falle eines Aus- gehend die Oberfläche des Bundes 11. In dem Hohl-

wechselns des Meßfühlers leicht wiederherzustellen 25 raum des Festelektrolylrohres 10 ist die innere Elek-

sind. trode 13 in Form einer Leiterbahn angebracht. Die

Die äußere Oberfläche des Festelektrolytrohres innere Elektrode 13 besteht ebenfalls aus Platin und trägt eine elektronenleitende, als äußere Elektrode wird durch Aufpinseln einer Platinsuspcnsion auf die dienende Schicht, die die Einstellung des Gasgleich- innere Oberfläche des Rohres und anschließendes gewichtes zu katalysieren vermag, während sich in 30 Einbrennen hergestellt. Die innere Elektrode 13 reicht dem Hohlraum des Festelektrolytrohres eine mit die- ebenfalls bis in den Bereich des Bundes 11. Das Festsem verbundene innere Elektrode befindet, elektrolytrohr 10 sitzt mit seinem Bund 11 in einer

Die oben angegebene Aufgabe wird erfindungs- entsprechend geformten Fassung 14 aus Stahl, die

gemäß dadurch gelöst, daß das Festelektrolytrohr an außen ein Gewinde 15 zum Einschrauben des McIi-

seinem offenen Ende einen Bund aufweist, daß die 35 fühlers trägt. Zwischen dem Bund 11 des Rohres 10

elektronenleitende Schicht oder eine mit dieser elek- und der Fassung 14 befindet sich ein elektrisch leiten-

trisch verbundene Leiterbahn bis auf einen Bund der Schmelzfluß 16. Dieser Schmelzfluß 16 dient zur

reicht, daß die Metallfassung eine dem Bund des mechanischen Verbindung von Fcstelektrolytrohr 10

Festelektrolytrohres angepaßte Form hat und daß ein und Fassung 14 und gewährleistet zugleich den elck-

freier Raum zwischen dem Bund und der Fassung mit 40 trischen Kontakt zwischen der äußeren Platinschicht

einer elektrisch leitenden, bei den an dieser Stelle 12 und der Fassung 14. Außerdem ist durch den

auftretenden Temperaturen beständigen Dichtungs- Schmelzfluß 16 eine Abdichtung zwischen Fcstelck-

masse ausgefüllt ist. trolytrohr 10 und Fassung 14 sichergestellt. Eine sol-

Es ist darüber hinaus günstig, wenn auch die innere ehe gasdichte Verbindung beider Teile ist wichtig, da

Elektrode bis in den Bereich des Bundes reicht und 45 in das Innere des Festelektrolytrohres 10 eindrin-

sich in dem offenen Teil des Festelektrolytrohres ein gende Abgase zu einer Änderung des Sauerstoff-Par-

mit mindestens einer Bohrung oder einem Schlitz tialdruckes an der inneren Elektrode 13 führt und

versehener Kontaktnippel befindet und der freie Raum damit Mischpotentiale gemessen werden,

zwischen dem Kontaktnippel und der Innenwandung Im oberen Teil des Hohlraumes des Festelektrolyt-

des Bundes mit einer elektrisch leitenden, bei den an 50 rohres 10 befindet sich ein Kontaktnippel 18, der mit

dieser Stelle auftretenden Temperaturen von 350 bis dem gleichen elektrisch leitenden Schmelzfluß 16

450° C beständigen Dichtungsmasse ausgefüllt ist. mechanisch fixiert ist und gleichzeitig den elektrischen

Über der elektrisch leitenden Dichtungsmasse zwi- Kontakt zwischen der inneren Elektrode 13 und dem

sehen Festelektrolyt und Metallfassung bzw. Kontakt- Kontaktnippel 18 herstellt. Über dem elektrisch lei-

nippel befinden sich als Druckstempel dienende Me- 55 tenden Schmelzfluß 16 befinden sich Stahl ringe 17

tallringe, die gegebenenfalls durch Umbördeln oder bzw. 19, die als Druckstempel zum Zusammenpressen

Verschrauben mit der äußeren Metallfassung bzw. mit des elektrisch leitenden Schmelzflusses 16 dienen,

dem Kontaktnippel mechanisch verbunden sind. Der Kontaktnippel 18 ist mit einer Bohrung 20 ver-

Die elektrisch leitende Dichtungsmasse kann aus Seilen, die einen ungehinderten Zutritt der als Bezugselektrisch leitendem Schmelzfluß oder aus einem Ge- 60 größe dienenden Umgebungsluft in den Hohlraum des misch von plastischen silikatischen Rohstoffen wie Rohres 10 gestattet.

Talkum und/oder Kaolin und Metallpulver bestehen. Die Platinschicht 12 ist zum Schutz vor mcchani-

Der genannte elektrisch leitende Schmelzfluß besteht sehen und chemischen Beschädigungen mit einer etwa

aus einem Gemisch zweier Komponenten, wobei die 200 (im dicken porösen Schicht 21 aus Lanthan-Ko-

eine Komponente Glas ist, während die andere Korn- 65 balt-Oxid, das mit Strontiumoxid dotiert ist, versehen,

ponente elektronenleitcnde Stoffe darstellt wie Me- Der elektrisch leitende Schmelzfluß 16 besteht aus

talle, elektronenleitende Oxide, Hartstoffe oder Koh 60 Gewichtsprozent Kupferschliff und 40 Gcwichts-

lenstoff sowie Mischungen hieraus. Besonders bewährt prozent Glas von einer Korngröße <60 μηι, das fol-

gciidc Zusammensetzung aufweist: 60,9 Gcwichtsprozcnl SiO₂, 28,4 Gcwiclitsprozcnt B₂O.,, 9,2 Gewichtsprozent Na₂O und 0,8 Gewichtsprozent Al₂O.,.

Die Komponenten werden trocken gemischt und zur Erzielung einer besseren Dosicrbarkcit nach bekannten Verfahren, z. B. durch Zusatz von organischen Bindemitteln, granuliert.

Das Fcstclcklrolytrohr 10 wird in die Fassung 14 und der Konlaktnippcl 18 in die dafür vorgesehene Bohrung im Fcslelcklrolytrohr eingelegt. Anschließend werden Ringe, die vorher aus dem oben beschriebenen Glas-Kupfer-Granulat bei einem Druck von etwa 600 kp/cm² gepreßt wurden, und darauf die Mctallringc 17 und 19 in die Ringspallc zwischen Fcstclcklrolytrohr 10 und Fassung 14 bzw. Kontaklnippcl 18 eingelegt.

Man kann auch das Granulat direkt in die Ringspallc eindosieren und durch Einpressen vorvcrdichten. Dieses Verfahren hat jedoch die Nachteile, daß einmal die gleichmäßige Dosierung des Granulates in die nur elwa 2 mm breiten Spalte schwierig durchzuführen ist und daß beim Vorverdichten nur verhältnismäßig niedrige Drücke angewendet werden können, da sonst das Fcstclcktrolytrohr 10 zerstört würde.

Die vorgcprcßtcn Ringe aus Glas-Kupfcr-Granulat sollen die Ringspalte bis etwa 1 bis 2 mm unter der Fassüngs- bzw. Fcstclcktrolytrohr-Obcrkantc ausfüllen, so daß die darauf aufgelegten Slahlringc 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 etwa 820° C erhitzt. Unmittelbar nach Entnehmen aus dem Ofen werden in heißem Zustand die beiden Mctallringc 17 und 19 mit einem Preßdruck von etwa 50 kp/cm² eingepreßt. Dadurch wird das erweichte Granulat verdichtet und in sämtliche Hohlräume gepreßt, so daß die beiden Ringspaltc einwandfrei mit dem elektrisch leitenden

ίο Schmelzfluß 16 ausgefüllt sind. Nach dem Einpressen wird der Druck so lange aufrechterhalten, bis die Glasschmelze unter ihre Transformationstemperatur von etwa 500° C abgekühlt ist.

Die Erfindung gibt einen Meßfühler für die Bc-Stimmung des Sauerstoffgehaltcs in Abgasen an, der sich durch einen kompakten Aufbau auszeichnet, keinerlei lösbare Verbindung innerhalb des Meßfühlers hat und sich daher sehr leicht austauschen läßt. Er ist gasdicht, vor allem auch bei den an dem Übcrgang Festclcktrolyt—Gehäuse bzw. Fcstelektrolyl— Kontaktnippel auftretenden Temperaturen von 350 bis 450° C, so daß keine Gefahr des Vcrmischcns von Meßgas mit dem Referenzgas besteht und daher keine Mischpotentialc auftreten, die die Meßergebnisse verfälschen würden. Auch ist die Gasdichtheit der Verbindungsstellen, an denen Keramik und Metall zusammentreffen, bei Tcmpcraturwechscl, wie sie naturgemäß auftreten, wenn die Meßfühler nicht im Dauerbetrieb benutzt werden, gewährleistet, so daß die Meßfühler eine hohe Lebensdauer aufweisen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

22 il 585 tungsmasse aus Talkum, eventuell unter Zusatz Patentansprüche· von Kaolin oder anderen plastischen, siükatischen Rohstoffen, und 10 bis 50 Volumprozent, insbe-

1. Elektrochemischer Meßfühler für die Be- sondere 20 bis 25 Volumprozent eines Metallstimmung des SauerstofTgehaltes in Abgasen, vor- 5 pulvers, insbesondere Aluminium, besteht,
wiegend von Verbrennungsmotoren, mittels einer
SauerstofTkonzentrationskette mit ionenleitendem