DE2307451A1

DE2307451A1 - Elektrochemischer messfuehler fuer die bestimmung des sauerstoffgehaltes in abgasen, insbesondere in abgasen von verbrennungsmotoren

Info

Publication number: DE2307451A1
Application number: DE19732307451
Authority: DE
Inventors: Walter Benedikt
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1973-02-15
Filing date: 1973-02-15
Publication date: 1974-08-22

Description

Anlage zur Patent- und Gebrauchsmusterhilfsanmeldung Elektrochemischer Meßfühler für die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Abgasen, insbesondere in Abgasen von Verbrennungsmotoren Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrochemischen Mefühler für die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Abgasen, insbesondere in Abgasen von Verbrennungsmotoren, mit einem ionenleitenden, einseitig mit einem Boden versehenen Festelektrolyt-Rohr, dessen Außenseite eine elektronenleitende Katalysator-Schicht aufweist, die elektrisch mit Masse in Verbindung steht und nur den Abgasen zugewendet ist, und dessen Innenseite im Bereich seines Bodens mit einem elektrisch leitfähigen Anschlußteil in Verbindung steht und der Umgebungs- -luft ausgesetzt ist.
Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren erzeugen in ihrem Abgas unter anderem Kohlenmonoxid, Stickoxide sowie unverbrannte oder teilverbrannte Kohlenwasserstoffe, die zur iuftverunreinigung beitragen. Um die durch diese Stoffe hervorgerufene Luftverunreinigung auf einen Minimalwert herabzudrücken, ist es erforderlich, die Abgase von Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren möglichst weitgehend von diesen Stoffen zu befreien, d. h., die schädlichen Anteile des Abgases in unschädliche Verbindungen wie Kohlendioxid, Stickstoff und Wasser zu überführen. Dieses kann z. B. dadurch geschehen, daß man die Abgase einer Nachverbrennung unterwirft, indem man sie bei Temperaturen oberhalb etwa 6000 C über Katalysatoren leitet.
Zur Kontrolle, ob die Abgase eines Verbrennungsmotors ausreichend nachverbrannt wurden, wird bekannterweise in den Weg des Abgases ein elektrochemischer meßfühler wie vorstehend beschrieben eingebaut, der auf dem Prinzip der Sauerstoffkonzentrationskette mit ionenleitendem Festelektrolyt beruht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektrochemischen Meßfühler zu entwickeln, dessen Mittelelektrode für Labor-und Diagnosezwecke leicht austauschbar ist und mit einem Temperatur-Sensor ausgerüstet werden kann; der Temperatur-Sensor soll auch in der Meßschaltung zur Kompensation oder als Schutzglied verwendbar sein.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der elektrische Kontakt zur Innenseite des Festelektrolyt-Rohres von einer Mittelelektrode hergestellt ist, deren Kontaktstelle durch mindestens ein Federelement gegen den Boden des Festelektrolyt-Rohres gedrückt wird, und daß eine auf der Mittelelektrode verschiebbare Kappe das Gegenlager für vorhandene Federelemente ist und eine lösbare Kupplungshälfte besitzt, die mit einer zweiten Kupplungshälfte am Kopf des Meßfühlers in Eingriff steht; der Sicherstellung eines guten Kontaktes zwischen Mittelelektrode und Festelektrolyt-Rohr ist es dienlich, wenn die Kontaktstelle der Mittelelektrode einen Überzug aus elektrisch gut leitfähigem Material hat (z. B. Silber).
Zur Unterbringung eines leicht austauschbaren Temperatur-Sensors ist die Mittelelektrode als ein an der Kontaktstelle geschlossenes Rohr ausgebildet, in dessen Längsbohrung sich der Temperatur-Sensor befindet. Bei einer bevorzugten Ausführung ist innerhalb der Mittelelektroden-Längsbohrung ein keramischer Stab untergebracht, indessen zwei Längsbohrungen jeweils ein Draht des Temperatur-Sensors entlanggeführt ist; als Temperatur-Sensor ist vorzugsweise ein Thermoelement geeignet, dessen Verbindungsstelle der Thermoelement-Drähte an den Verschluß der Mittelelektrode angelötet ist.
Ein Ausführungbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden beschrieben und näher erläutert; es zeigen: Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen elektrochemischen Meßfühler mit eingebautem Temperatur-Sensor nach der Erfindung in vergrößertem Maßstab und Fig. 2 eine Draufsicht auf den Anschlußkopf des Meßfühlers nach Fig. 1 in noch weiter vergrößertem Maßstab.
Der in den Fig. 1 und 2 dargestellte elektrochemische Meßfühler 10 besteht im wesentlichen aus einem ionenletenden, einseitig mit einem Boden 11 versehenen Festelektrolyt-Rohr 12 mit einer Katalysator-Schicht 13 an seiner Außenseite 14, einem keramischen Isolator-Rohr 15, einem metallischen gehäuse 16 zum Zusammenhalten des Festelektrolyt-Rohres 12 und des Isolator-Rohres 15, und einer rohrförmigen Mittelelektrode 17, die in die Längsbohrung 18 des Isolator-Rohres 15 und weiter in die Längsbohrung 19 des Festelektrolyt-Rohres 12 ragt, in ihrer Längsbohrung 20 einen Temperatur-Sensor 21 umfaßt, an ihres anschlußseitigen Ende einen Anschlußkopf 22 trägt und durch eine an einem Außengewinde 23 des Isolator-Rohres 15 in Eingriff stehende Schraubkappe 24 und eine Druckfeder 25 mit der Mittelelektroden-Kontaktstelle 26 gegen den Meßfühler Boden 11 gedrückt wird.
Das Festelektrolyt-Rohr 12 besteht aus Zirkondioxid und hat ein flanschartiges Kopfteil 27, an dessen Stirnfläche das ebenfalls flanschartige Kopfteil 28 des Isolator-Rohres 15 anliegt, so daß die Längsbohrung 19 in Festelektrolyt-Rohr 12 und die Längsbohrung 18 in Isolator-Rohr 15 axial verlaufen.
Die beiden Kopfteile 27 und 28 werden von dem metallischen Gehäuse 16 umfaßt, wobei elektrisch leitende Dichtungsringe 29 und 30 mit eingeschlossen sind; der Zusammenhalt zwischen Festelektrolyt-Rohr 12, Isolator-Rohr, Gehäuse 16 und Dichtunsringen 29, 30 wird durch eine Bördellippe 31 und bekanntes Warmschrumpfen des Gehäuses 16 bewirkt. Das Warmschrumpfen wird derart ausgeführt, daß der mit 32 gekennzeichnete Umfangsbereich des Gehäuses 16 auf Rot blut erwärmt wird und anschließend abgekühlt wird, wobei während der Abkühlzeit auf das Gehäuse 16 ein axialer Druck ausgeübt wird.
Die an der Außenseite 14 des Festelektrolyt-Rohres 12 befindliche Katalysator-Schicht 13 besteht aus Platin und ist über den Dichtungsring 30 mit dem Gehäuse 16 elektrisch leitend verbunden und steht somit in eingebautem Zustand im nicht dargestellten Auspuffrohr des Motors über das Gehäuse-Einschraubgewinde 33 mit Masse in Verbindung.
Der anschlußseitige-Endabschnitt des Isolator-Rohres 15 besitzt eine Kupplungshälfte 23 in Form eines Außen£ewindes, das mit einem als zweite Kupplungshälfte 34 wirkenden Innengewinde der Schraubkappe 24 in Eingriff steht. Diese Schraubkappe 24 übt mit ihrer Schulter 35 in ihrer Längsbohrung 36 Druck auf die Druckfeder 25 aus, die mit ihrem anderen Ende auf einem Flansch 37 der Mittelelektrode 17 aufliegt; der auf den Flansch 37 der Mittelelektrode 17 wirkende Druck überträgt sich als Kontaktdruck von der Kontaktstelle 26 der Mittelelektrode 17 auf den Meßfühler-Boden 11. Die Mittelelektroden-Kontaktstelle 26 ist zwecks Verbesserung der Leitfähigkeit mit einem Überzug 38 aus Silber versehen. Ein entsprechender Überzug auf der Innenseite des Bodens 11 vom Festelektrolyt-Rohr 12 ist zweckmäßig.
Die Mittelelektrode 17 ragt mit ihrem anschlußseitigen Endabschnitt durch eine Schraubkappen-Durchlaßöffnung 39, worin sie durch einen 0-Ring 40 abgestützt wird. Der Endabschnitt der Mittelelektrode 17 ist mit einem Außengewinde 41 versehen, auf das der aus Isolierstoff bestehende Anschlußkopf 22 geschraubt ist. In der Stirnfläche des Anschlußkopfes 22 befinden sich drei Sacklöcher 42, 43 und 44, in die geschlitzte Kontaktstifte 45, 46 und 47 eingepreßt sind; alle drei Kontaktstifte 45, 46, 47 weisen ein Querloch 48 auf. In das Querloch 48 des Xontaktstiftes 45 ist ein Anschlußdraht 49 eingelötet, dessen anderes Ende in eine Bohrung 50 in der Mittelelektrode 17 eingelötet ist.
Die Mittelelektrode 17 enthält in ihrer Längsbohrung 20 ein Thermoelement als Temperatur-Sensor 21; die zum Temperatur-Sensor 21 gehörenden Drähte 52 (Platin) und 53 (Platinrhodium) sind mit ihrer Verbindungsstelle 54 an den Verschluß 55 der Mittelelektroden-Längsbohrung 20 angelötet und mit ihren freien Enden durch je eine Längsbohrung 56 bzw. 57 in einem keramischen Stab 51 zum anschlußseitigen Endabschnitt der Mittelelektrode 17 geführt und anschließend in ein Querloch 48 des Kontaktstiftes 46 bzw. 47 eingelötet. Der keramische Stab 51 ist in der Mittelelektroden-Längsbohrung 20 durch Kitt oder Gießharz 58 festgelegt.
Eine Querbohrung 59 in der Schraubkappe 24 erlaubt den Zutritt von Umgebungsluft in die Längsbohrung 19 de s des Festelektrolyt-Rohres 12.

Claims

Ansprüche

Elektrochemischer Meßfühler für die Bestimmungs des Sauerstoffgehaltes in Abgasen, insbesondere in Abgasen von Verbrennungsmotoren, mit einem ionenleitenden, einseitig mit einem Boden versehenen Festelektrolyt-Rohr, dessen Außenseite eine elektronenleitende Katalysator-Schicht aufweist, die elektrisch mit Masse in Verbindung steht und nur den Abgasen zugewendet ist, und dessen Innenseite im Bereich seines Bodens mit einem elektrisch leitfähigem Anschlußteil in Verbindung steht und der Umgebungsluft ausgesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Kontakt zur Innenseite des Festelektrolyt-Rohres (12) von einer Mittelelektrode (17) hergestellt ist, deren Kontaktstelle (26) durch mindestens ein Federelement (25) gegen den Boden (11) des Festelektrolyt-Rohres (12) gedrückt wird, und daß eine auf der Mittelelektrode (17) verschiebbare Kappe 24 das Gegenlager für vorhandene Federelemente (25) ist und eine lösbare Kupplungshälfte (34) besitzt, die mit einer zweiten Kupplungshälfte (23) am Kopf (15) des Meßfühlers (10) in Eingriff steht.
2. Elektrochemischer Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktstelle (26) der Mittelelektrode (17) einen Überzug (38) aus elektrisch gut leitfähigem Material hat (z. B. Silber).
.3. Elektrochemischer Meßfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mitteleloktrode (17) ein an der Kontaktstelle (26) geschlossenes Rohr ist, in dessen Längsbohrung (20) sich ein Temperatur-Sensor (21) befindet.
4. Elektrochemischer Meßfühler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich innerhalb der Mittelelektroden-Längsbohrung (20) ein keramischer Stab (51) befindet, in dessen zwei Längsbohrungen (56, 57) jeweils ein Draht (52, 53) des Temperatur-Sensors (21) entlanggeführt ist.
5. Elektrochemischer Meßfühler nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperatur-Sensor (21) ein Thermoelement ist.
6. Elektrochemischer Meßfühler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsstelle (54) der Thermoelement-Drähte (52, 53) an den Verschluß (55) der Mittelelektrode (17) angelötet ist.

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