DE2315444C3 - Elektrochemischer Meßfühler für die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Abgasen, insbesondere in Abgasen von Verbrennungsmotoren - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrochemischen Meßfühler für die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Abgasen, insbesondere in Abgasen von Verbrennungsmotoren, mit einem ionenleitenden, einseitig geschlossenen Festelektrolyt-Rohr, auf dessen Außen- und Innenfläche sich je eine elektronenleitende Schicht als Elektrode befindet, von denen die Innenelektrode mit einem Anschlußteil elektrisch leitend verbunden ist und mit der Umgebungsluft durch die öffnung des Festelektrolyt-Rohres in Verbindung steht, und von denen die Außenelektrode mit einem Gehäuse elektrisch leitend verbunden ist, das den Kopf des Festelektrolyt-Rohres umgibt und in seiner Mittelbohrung eine Schulter zur Auflage des Festelektrolyt-Rohres aufweist.

Derartige Meßfühler, die auf dem Prinzip der Sauerstoff-Konzentrationskette mit ionenleitendem Festelektrolyt beruhen und in das Abgasrohr von Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren einbaubar sind, sind bei den hohen Abgastemperaturen von zum Teil über 1000⁰C starken Beanspruchungen ausgesetzt; problematisch ist dabei auch die Befestigung des Festelektrolyt-Rohres in dem Gehäuse des Meßfühlers, weil auf Grund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten dieser Stoffe ein Lockern des Festelektrolyt-Rohres vom Gehäuse auftritt, was Gasundichtheiten und Kontaktierungsschwankungen am Meßfühler zur Folge hat. Es hat sich gezeigt, daß auf Grund der im Fahrzeug auftretenden hohen Schwingbeschleunigungen weder ein Glasschmelzfluß noch eine mehr oder weniger elastische Packung mit elektrischer Leitfähigkeit — wie in der DT-OS 22 ! 1 585 beschrieben — zwischen Festelektrolyt-Rohr und Gehäuse eine befriedigende stabile Befestigung gewährleistet.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, einen elektromechanischen Meßfühler zu schaffen, der die vorgenannten Nachteile nicht aufweist.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß ein auf eine in Richtung der Anschlußseite des Meßfühlers weisende Flansch-Seite bzw. die anschlußseitige Stirnfläche des Festelektrolyt-Rohres wirkendes, das verschiedenartige Wärmeausdehnungsverhalten der einzelnen Bauelemente ausgleichendes Ausgleichselement vorgesehen ist, dessen Lage vom Meßfühler-Gehäuse bzw. einem axial am Gehäuse befestigten Schutzrohr fixiert ist. Ein solches Ausgleichselement kann vorzugsweise ein Rohrstück sein, das sich an einem Bördelrand am anschlußseitigen Endabschnitt

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des Gehäuses abstützen kann. Um ein Ausbrechen des Ftsaeiektrolyt- Rohres an seinen Schultern weitgehend auszuschließen, werden zwischen einem Flansch des Festelektrolyt-Rohres und der Auflageschulter in der Gehäuse-Mittelbohrung und zwischen d,-m Rohrstück und dem Flansch je ein Ring aus relativ weichem Material wie z. B. Rein-Nickel angeordnet. Ein solches Rohrstück kann auch dann Anwendung finden, wenn sich zwischen dem Rohrstück und dem Flansch des Festelektrolyt-Rohres eine pulverförmige Dichtungsmasse befindet und dabei die Dichtungsmasse unter weitgehend konstantem Druck den von Gehäuse, Festelektrolyt-Rohr und Rohrstück gebildeten Raum ausfüllt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform besteht das Gehäuse aus Stahl mit ferritischem Gefüge, das Festelektrolyt-Rohr aus Zirkondioxid, das Rohrstück aus Stahl mit austenitischem Gefüge und die Dichtungsmasse aus Graphit.

An Stelle des Rohrstücks als Ausgleichselement kann auch ein Federelement als Ausgleichselement verwendet werden; das Federelement kann sich dabei an einem Bördelrand am anschlußseitigen Endabschnitt des Gehäuses abstützen. Dieses Federelement kann auch dann verwendet werden, wenn zwischen Festelektrolyt-Rohr und Gehäuse eine elastische Dichtungsmasse angeordnet ist, indem das Federelement über eine Ringscheibe auf diese Dichtungsmasse wirkt. Mit dem Federelement kann auch vorteilhaft die Verbindung des Meßfühler-Anschlußteils kombiniert werden, indem das Federelement über einen Anschlag am rohrförmigen Anschlußteil mit dem Festelektrolyt-Rohr in Wirkverbindung steht und das Federelement an einem wärmebeständigen Elektroisolator, z. B. einem Keramikring, abgestützt ist, der vom Meßfühler-Gehäuse in seiner Lage gehalten ist. Um auch bei dieser Lösung ein Ausbrechen an den Schultern des Festelektrolyt-Rohres zu verhindern, ist zwischen Anschlußteil-Anschlag und Festelektrolyt-Rohr und zwischen Festelektrolyt-Rohr und der Auflageschulter in der Gehäuse-Mittelbohrung je ein Ring aus relativ weichem Material wie z. B. Rein-Nickel angeordnet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden beschrieben und näher erläutert; es zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch einen elektrochemisehen Meßfühler mit einem Rohrstück als Ausgleiselement (in vergrößertem Maßstab),

F i g. 2 einen Längsschnitt durch den mittleren Bereich eines elektrochemischen Meßfühlers mit einem Rohrstück als Ausgleichselement, das über eins pulverförmige Dichtungsmasse befestigend auf das Festelektrolyt-Rohr wirkt (in vergrößertem Maßstab),

F i g. 3 einen Längsschnitt durch den mittleren Bereich eines elektrochemischen Meßfühlers mit einem Federelement als Ausgleichselement, das über eine pulverförmige Dichtungsmasse befestigend auf das Festelektrolyt-Rohr wirkt (in vergrößertem Maßstab) und

F i g. 4 einen Teilschnitt durch den mittleren Bereich eines elektrochemischen Meßfühlers mit einem Federelement als Ausgleichselement, durch das das Anschlußteil festgelegt ist und das auf die anschlußseitige Stirnfläche des Festelektrolyt-Rohres drückt (in vergrößertem Maßstab).

Der in F i g. 1 dargestellte elektrochemische Meßfühler 10 hat ein ionenleitendes, einseitig geschlossenes Festelektrolyt-Rohr 11, das aus Zirkondioxid besteht, auf seiner Außenfläche eine elektronenleitende Katalysatorschicht 12 aus Platin trägt und innen mit einer bis zum Boden 13 reichenden elektronenleitenden Schicht 14 (z. B, Platin) versehen ist. Wenn der Meßfühler 10 in ein Abgasrohr eines Motors eingebaut ist, wird die Katalysatcrschicht 12 von den Abgasen umspült, während die Längsbohrung 15 des Festelektrolyt-Rohres 11 der Außenluft ausgesetzt ist. In die Längsbohrung 15 des Festelektrolyt-Rohres 11 ragt ein rohrförmiges Anschlußteil 16, das sich mit einem konzentrischen Wulst 17 auf einem abgerundetem Übergang 18 in der Längsbohrung 15 abstützt. Die anschlußseitig erweiterte Längsbohrung 15 des Festelektrolyt-Rohres 11 ist mit einem elektrisch leitfähigen Glasschmelzfluß 19 bekannter Art ausgefüllt und mit einem metallenen Rohrabschnitt 20 verschlossen; der Glasschmelzfluß 19 dient dabei sowohl dem starren Einbau des Anschlußteils 16 in die Längsbohrung 15 als auch zur Kontaktierung der elektronenleitenden Schicht 14 mit dem Anschlußteil 16. Das Anschlußteil 16 ist an seinem anschlußseitigen Endabschnitt als Steckkontakt 21 ausgebildet und mit zwei eingescherten Lufteintrittsöffnungen 22 versehen.

Der mittlere Bereich des Festelektrolyt-Rohres 11 ist von einem metallischen Gehäuse 23 aus wärme- und zunderfestem Material umgeben; das Gehäuse 23 trägt auf der Außenseite des dem nicht dargestellten Abgasrohr zugewendeten Endabschnitts ein Einschraubgewinde 24 und nimmt in seiner Mittelbohrung 25 ein aus wärme- und zunderfestem Material bestehende Schutzhülse 26 auf, die das geschlossene Ende des Festelektrolyt-Rohres 11 umhüllt, eine Anzahl von Durchbrüchen 27 für den Einlaß von Abgasen hat und durch einige Schweißpunkte 28 am Gehäuse 23 befestigt ist.

Die Mittelbohrung 25 des Gehäuses 23 ist anschlußseitig als Aufbohrung 29 ausgebildet, deren zur Mittelbohrung 25 führende Auflageschulter 30 einen Ring 31 trägt, der aus relativ weichem Material wie z, B. Rein-Nickel besteht und auf dem ein an der Außenseite des Festelektrolyt-Rohres 11 angeformter Flansch 32 aufliegt; dieser Ring 31 sorgt für eine Abdichtung zwischen Gehäuse 23 und Festelektrolyt-Rohr 11 und außerdem für den elektrischen Kontakt zwischen Gehäuse 23 und der auf der Außenseite des Festelektrolyt-Rohres 11 aufgebrachten Katalysatorschicht 12. Auf der zum Anschluß weisenden Seite 33 des Flansches 32 ist ein Ring 34 aufgelegt, der ebenfalls aus relativ weichem Material wie z. B. Rein-Nickel besteht und dem anschlußseits ein Rohrstück 35 als Ausgleichselement

36 folgt. Diesem Rohrstück 35 schließt sich ein Flansch

37 eines metallischen Schutzrohres 38 an, das den anschlußseitigen Endabschnitt des Festelektrolyt-Rohres 11 und das Anschlußteil 16 derart konzentrisch umgibt, daß nur der Steckkontakt 21 aus diesem Schutzrohr 38 herausragt. Das Schutzrohr 38 hat auf seinem Umfang einige Lufteintrittsöffnungen 39 und hält in seinem anschlußseitigen Endabschnitt eine Isolierstoffscheibe 40, die den Steckkontakt 21 fest umgibt und das anschlußseitige Ende des Schutzrohres 38 abschließt; die für die Befestigung der Isolierstoffscheibe 40 verwendete Einschnürung 41 am Schutzrohr 38 dient gleichzeitig zum Einrasten eines Wulstes 42, der sich an der Innenseite einer strichpunktiert angedeuteten Anschlußhülle 43 befindet. Der zwischen dem Wulst 42 und dem zum Abgasrohr gerichteten Ende liegende Abschnitt der Anschlußtülle 43 weist zum Schutzrohr 38 einen Abstand auf, überdeck·, jedoch in seiner Länge die Lufteintrittsöffnungen 39 im Schutzrohr 38; die Lufteintrittsöffnungen 39 sind damit gegenüber der Außenluft geöffnet, jedoch gegenüber einem Eindringen von Spritzwasser weitgehend geschützt.

Die in der Aufbohrung 29 des Gehäuses 23 hintereinander angeordneten Bauteile Ring 31, Festelektrolyt-Rohr-Flansch 32, Ring 34, Rohrstück 35 und der Schutzrohr-Flansch 37 werden durch einen Bördelrand 44 am anschlußseitigen Endabschnitt des Gehäuses 23 längsseits fixiert und durch das bekannte Warmschrumpfverfahren im mit 45 gekennzeichneten Bereich des Gehäuses 23 abdichtend gegeneinander gezogen. Das als Ausgleichselement 36 dienende Rohrstück 35 besteht dabei aus einem Stoff, dessen bei den verschiedenen Temperaturen auftretende Ausdehnung bzw. Schrumpfung das entsprechende Verhalten der auf das Rohrstück 35 wirkenden Bauteile Gehäuse 23, Festelektrolyt-Rohr-Flansch 32, Ringe 31 und 34 und des Schutzrohr-Flansches 37 weitgehend kompensiert; bei dieser bevorzugten Ausführungsform besteht das Rohrstück 35 aus Stahl mit austenitischem Gefüge und das Meßfühler-Gehäuse 23 aus Stahl mit ferritischem Gefüge.

Bei dem in F i g. 2 dargestellten elektrochemischen Meßfühler 50 entspricht der funktionell Aufbau dem elektrochemischen Meßfühler 10 nach F i g. 1; er unterscheidet sich dadurch von dem Meßfühler 10 nach F i g. I₁ daß die Abdichtung zwischen seinem Gehäuse 51 und seinem Festelektrolyt-Rohr 52 und auch die Kontaktierung zwischen Gehäuse 51 und der Katalysatorschicht 53 auf der Außenseite des Festelektrolyt-Rohres 52 anders ist. In diesem Falle liegt das Festelektrolyt-Rohr 52 mit einer Schulter 54 auf einer entsprechenden Schulter 55 in der Gehäuse-Mittelbohrung 56 auf und ein an das Festelektrolyt-Rohr 52 angeformter Flansch 57 ragt in den zwischen Festelektrolyt-Rohr 52 und Gehäuse-Aufbohrung 58 gebildeten Raum 59. Dieser Raum 59 ist mit einer pulverförmigen Dichtungsmasse 60, die vorzugsweise elektrisch leitfähig ist (Graphit), und einem Rohrstück 61 als Ausgleichselement 36 gefüllt; ein Bördelrand 63 am anschlußseitigen Endabschnitt des Gehäuses 51 drückt dabei auf Rohrstück 61 und Dichtungsmasse 60, schließt aber zusätzlich auch noch den Flansch 64 eines Schutzrohres 65 mit ein. Dieses Rohrstück 61 besteht erfindungsgemäß auch aus einem solchen Stoff, dessen bei den verschiedenen Temperaturen auftretende Ausdehnung bzw. Schrumpfung das entsprechende Verhalten der auf das Rohrstück wirkenden Teile Gehäuse 51, Dichtungsmasse 60 und Festelcktrolyt-Rohr 52 weitgehend kompensiert; bei dieser Ausführungsform, bei der die Dichtungsmasse 60 das Festelektrolyt· Rohr 52 radial festhält, ist das Rohrstück 61 so ausgelegt, daß es durch sein Wärmeausdchnungsverhalten das Wärmeausdehnungsverhalten von Gehäuse 51, Festelektrolyt-Rohr 52 und Dichtungsmasse 60 derart kompensiert, daß die Dichtungsmasse 60 den von Gehäuse 51, Festelektrolyt-Rohr 52 und Rohrstück 61 gebildeten Raum bei weltgehend konstant auf die Dichtungsmasse 60 wirkenden Druck ausfüllt. Der elektrische Kontakt zwischen der Katalysatorschicht 53 auf dem Festelektrolyt-Rohr 52 und dem Gehäuse 51 erfolgt durch direkte Berührung zwischen Festelektrolyt·Rohr-Schulter 54 und Mittelbohmngs-Schulter 55 und auch über die elektrisch lcitfählge Dichtungsmasse 60. In FI g. 3 ist ein clcktrochenischer Meßfühler 70 gezeigt, dessen Festelektrolyt-Rohr 71 wie bei der Ausführungsform nach F i g. 2 durch eine pulverförmige Dichtungsmasse 72 radial festgehalten wird; diese Dichtungsmasse 72 wird durch einen Metallring 73 abgedeckt. Dem Metallring 73 folgend ist auf das Festelektrolyt-Rohr 71 ein Federelement 74 als Ausgleic' ielement 36 aufgefädelt; das Federelement 74 besteht aus wärmebeständigem Material und stützt sich über einen zweiten Metallring 75 und den Flansch 76 eines

ίο Schutzrohres 77 an dem Bördelrand 78 des Meßfühler-Gehäuses 79 ab. Das Federelement 74 gleicht bei dieser Ausführungsform des Meßfühlers 70 das unterschiedliche Wärmeausdehnungsverhalten von Festelektrolyt-Rohr 71, Gehäuse 79 und Dichtungsmasse 72 aus. Der sonstige Aufbau des elektrochemischen Meßfühlers 70 entspricht dem nach F i g. 2.

Die F i g. 4 zeigt einen elektrochemischen Meßfühler 90, der - wie der Meßfühler 70 nach F i g. 3 - als Ausgleichselement 36 ein Federelement 91 aufweist.

Bei dieser Ausführungsform wirkt das Federelement 91 über einen an das Anschlußteil 92 angeschweißten Flansch 93 und eine aus relativ weichem Material (z. B. Rein-Nickel) bestehenden Ring 94 auf die anschlußseitige Stirnseite 95 des Festelektrolyt-Rohres 96; die in der Längsbohrung 97 befindliche elektronenleitende Schicht 98 überdeckt in diesem Falle auch die Stirnseite 95 des Festelektrolyt-Rohres % und steht auf diese Weise mit dem Anschlußteil 92 in elektronenleitender Verbindung. Auf dem Anschlußteil 92 folgen dem Federelement 9t ein keramischer Isolierring 99 und ein Metallring 100; dieser Metallring 100 wird durch eine Sicke 101 am Schutzrohr 102 fixiert. Das Schutzrohr 102 ist mit seinem Flansch 103 von dem Bördelrand 104 am Meßfühler-Gehäuse 105 gehalten. — Die Abdichtung zwischen Gehäuse 105 und Festelektrolyt-Rohr % sowie auch die elektrische Kontaktierung zwischen dem Gehäuse 105 und der Katalysatorschicht 106 auf der Außenseite des Festelektrolyt-Rohres % erfolgt durch einen Ring 107 aus relativ weichem Material

(z. B. Rein-Nickel), der einerseits an der Schulter 108 des Festelektrolyt-Rohres % anliegt und sich andererseits indirekt auf einer Schulter 109 der Gehäuse-Mittelbohrung 97 abstützt.
Die F i g. 4 zeigt gegenüber den F i g. 1, 2 und 3 noch eine vorteilhafte Befestigungsart der Schutzhülse 110, die das von Abgasen beaufschlagte Ende des Festclektrolyt-Rohres % umgibt; die Schutzhülse 110 ist dazu an ihrem offenen Ende mit einem Flansch 111 versehen der von der Festelektrolyt-Rohr-Schulter 108 durch

so Druck gegen das Gehäuse 105 festgehalten und abgedichtet wird. Diese Befestigung der Schutzhülse 110 lsi Im Prinzip auch bei den Meßfühlern 10, 50 und 70 an wendbar. Als Alternative zur stirnseitigen Kontaktierung de;

SS AnschluOtcils 92 mit dem Festelektrolyt-Rohr 96 is auch der Druck eines Federelcmentes als Ausgleichen ment 36 auf einen Flansch des Elektrulyt-Rohres — wii in FI g. 1 dargestellt - möglich. Des weiteren sei er wtthnt, daß die Haltefunktion des Schutzrohres 10:

auch durch eine Verlängerung des Gehäuses 105 mi seinem Bördelrand 104 möglich Ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

Patentansprüche:

1. Elektrochemischer Meßfühler für die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Abgasen, insbeson- ι dere in Abgasen von Verbrennungsmotoren, mit einem ionenleitenden, einseitig geschlossenen Festelektrolyt-Rohr, auf dessen Außen- und innenfläche sich je eine elektronenleitendc Schicht als Elektrode befindet, von denen die Innenelektrode mit einem Anschlußteil elektrisch leitend verbunden ist und mit der Umgebungsluft durch die öffnung des Festelektrolyt-Rohres in Verbindung steht und von denen die Außenelektrode mit einem Gehäuse elektrisch leitend verbunden ist, das den Kopf des Festelektrolyt-Rohres umgibt und in seiner Mittelbohrung eine Schulter zur Auflage des Festelektrolyt-Rohres aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß ein auf eine in Richtung der Anschlußseite des Meßfühlers (10, 50, 70,90) weisende Flansch-Seite (33, 57) bzw. die anschlußseitige Stirnfläche (95) des Festelektrolyt-Rohres (11, 52, 71, 96) wirkendes, das verschiedenartige Wärmeausdehnungsverhalten der einzelnen Bauelemente ausgleichende Ausgleichselement (36) vorgesehen ist, dessen Lage vom Meßfühler-Gehäuse (23, 51, 79) bzw. einem axial am Gehäuse (105) befestigten Schutzrohr (102) fixiert ist.

2. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgleichselement (36) ein Rohrstück (35,61) ist.

3. Meßfühler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohrstück (35, 61) sich an einem Bördelrand (44, 63) am anschlußseitigen Endabschnitt des Gehäuses (23,51) abstützt.

4. Meßfühler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einem Flansch (32) des Festelektrolyt-Rohres (11) und der Auflageschulter (30) in der Gehäuse-Mittelbohrung (25) und zwischen dem Rohrstück (35) und dem Flansch (32) je ein Ring (31, 34) aus relativ weichem Material (z.B. Rein-Nickel) angeordnet ist.

5. Meßfühler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen dem Rohrstück (61) und dem Flansch (57) des Festelektrolyt-Rohres (52) eine pulverförmige Dichtungsmasse (60) befindet und daß die Dichtungsmasse (60) unter weitgehend konstantem Druck den von Gehäuse (51), Festelektrolyt-Rohr (52) und Rohrstück (61) gebildeten Raum (59) ausfüllt.

6. Meßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (23, 51) aus Stahl mit ferritischem Gefüge, das Festelektrolyt-Rohr (11, 52) aus Zirkofidioxid, das Rohrstück (35,61) aus Stahl mit austenitischem Gefüge und die Dichtungsmasse (60) aus Graphit besteht.

7. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgleichselement (36) ein Federelement (74,91) ist.

8. Meßfühler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement (74, 91) sich an einem Bördelrand (78, 104) am anschlußseitigen Endabschnitt des Gehäuses (79,105) abstützt.

9. Meßfühler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement (74) über eine Ringscheibe (73) mit einer Dichtungsmasse (72) in Wirkverbindung steht, die einen von Festelektrolyt-Rohr (71), Gehäuse (79) und Ringscheibe (73) gebildeten

Raum ausfüllt.

10. Meßfühler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement (91) über einen Anschlag (101) am rohrförmigen Anschlußteil (92) mit dem Festelektrolyt-Rohr (96) in Wirkverbindung steht und daß das Federelement (91) an einem wärmebeständigen Elektroisolator (99), z. B, einem Keramikring abgestützt ist, der vom Gehäuse (105) in seiner Lage gehalten ist.

11. Meßfühler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Anschlußteil-Anschlag (101) und Festelektrolyt-Rohr (96) und zwischen Festelektrolyt-Rohr (96) und der Auflageschulter (109) in der Gehäuse-Mittelbohrung (97) je ein Ring (94, 107) aus relativ weichem Material (z. B. Rein-Nickel) angeordnet ist.