DE2326086A1

DE2326086A1 - Elektrochemischer messfuehler fuer die bestimmung des sauerstoffgehaltes in abgasen, insbesondere in abgasen von verbrennungsmotoren

Info

Publication number: DE2326086A1
Application number: DE19732326086
Authority: DE
Inventors: Erwin Dipl Ing Ungerer; Helmut Dipl Ing Weyl; Guenter Dr Woessner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1973-05-23
Filing date: 1973-05-23
Publication date: 1974-12-12
Also published as: FR2231288A5; GB1469698A; DE2326086B2

Description

R. 148 3

17-5.1973 Zr/Mn

Anlage zur Patent- und
Gebrauchsmuster-Hilfsanmeldung

ROBERT BOSCH GMBH, Stuttgart

Elektrochemischer Meßfühler für die Bestimmung des Säuerstoffgehaltes in Abgasen, insbesondere in Abgasen von Verbrennungsmotoren

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrochemischen Meßfühler 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 Pteht 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, und dessen den Abgasen ausgesetzter Teil mit einer Schutzeinrichtung umgeben ist, die mit Abstand um das Pestelektrolyt-Rohr angeordnet ist, am anschlußseitigen Endabschnitt das Pestelektrolyt-Rohr direkt oder indirekt dicht umfaßt, das bodenseitige Ende des Pestelektrolyt-Rohres überragt und mindestens je eine Öffnung für den Ein- und Austritt von Abgasen aufweist. " .

Bei einem bekannten elektrochemischen Meßfühler dieser Art ist der den Abgasen ausgesetzte Teil des Pestelektrolyt-Rohres mit einer Schutzhülse versehen, die eine Anzahl von Öffnungen aufweist. Bei diesen Meßfühlern wird jedoch die elektronenleitende

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Katalysator-Schicht an der Außenseite des Festelektrolyt-Rohres dadurch schnell zerstört, daß der Abgasstrom durch die Löcher eintritt, einschließlich seiner groben Partikel öirekt auf die Katalysator-Schicht aufschlägt und diese zerstört ; außerdem wird der hinter den Löchern der Schutzeinrichtung liegende Bereich der Katalysator-Schicht bei plötzlichen Temperatur- oder Druckänderungen im anströmenden Abgas nicht.vor den auftretenden Schockwirkungen geschützt.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, einen elektrochemischen Meßfühler zu schaffen, dessen elektronenleitende Katalysator-Schicht auf dem Festelektrolyt-Rohr vor intensiven Abtragungen sowie Temperatur- und Druckschockwirkungen durch den auftreffenden Abgasstrom geschützt ist, wobei dennoch nicht die Ansprechempfindlichkeit des Meßfühlers wegen ungenügender Abgasmenge am Meßfühler verschlechtert wird; darüberhinaus sollen die Abgaskomponenten innnerhalb der Schutzeinrichtung gut vermischt werden, damit das ausströmende Abgasgemisch homogenisiert ist.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die vorhandenen öffnungen in der Schutzeinrichtung Umleitmittel haben, die zwar die Abgase zum Festelektrolyt-Rohr leiten, jedoch das Festelektrolyt-Rohr einem direkten Aufprall von Abgasen entziehen. Die Umleitmittel sorgen dabei für ein Abbremsen der im Abgas vorhandenen Energie, einschließlich Verringerung der Abgasströmungsgeschwindigkeit und auch für eine gute Vermischung der Abgaskomponenten. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Schutzeinrichtung dienen in den Mantel der Schutzeinrichtung gestanzte Taschen bzw. Klappen als Umleitmittel; diese Taschen bzw. Klappen kön nen nach außen weisen, sind jedoch wirkungsvoller, wenn sie in den Innenraum der Schutzeinrichtung weisen. Diese Taschen bzw. Klappen verlaufen dabei vorzugsweise parallel zur Achse des Mantels, sie können aber auch schraubenförmig angeordnet sein. Je nach Anwendungszweck kann es von Vorteil sein, wenn der freie

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Endabschnitt der Schutzeinrichtung mit einem geschlossenen Boden oder auch mit einem- Boden mit Löchern versehen ist.

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

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen elektrochemischen Meßfühler mit einer Schutzeinrichtung, die nach innen weisende Taschen als Umleitmittel hat (in vergrößertem Maßstab),

Fig. 2 einen Querschnitt durch den Meßfühler nach Fig. 1 entsprechend der Linie II-II,

Fig. 3 einen Querschnitt durch einen elektrochemischen Meßfühler ähnlich dem nach Fig. 2,' jedoch mit nach außen weisenden Taschen als Umleitmittel und

Fig. l\ den abgasseitigen Endabschnitt eines elektrochemischen Meßfühlers gemäß dem nach Fig. 1 und 2, jedoch mit. einem Boden am freien Ende der Schutzeinrichtung.

Der in Fig. 1 und 2 dargestellte elektrochemische Meßfühler 10 hat ein ionenleitendes_s einseitig geschlossenes Festelektrolyt-Rohr 11, das aus Zirkondioxyd besteht, auf seiner Außenfläche eine elektronenleitende Katalysator-Schicht 12 aus Platin trägt und innen mit einer bis zum Boden 13 reichenden elektronenleitenden Schicht Ik (z.B. Platin) versehen ist. Wenn der Meßfühler 10 in ein Abgasrohr eines Motors eingebaut ist, wird die Katalysator-Schicht 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 abgerundeten übergang 18 in der Längsbohrung 15 abst-ützt. Die anschlußseitig erweiterte Längsbohrung 15 des Festelektrolyt-Rohres 11 ist außerhalb des Anschlußteils 16 mit einem elektrisch leitfähigen GlasSchmelzfluß 19 bekannter Art verschlos-

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sen und mit einem metallenen Rohrabschnitt 20 abgedeckt; der Glasschmelzfluß 19 dient dabei sowohl dem starren und dichten Einbau des Anschlußteils 16 in die Längsbohrung 15 als auch zur Kontaktierung der elektronenleitenden Schicht I¹I 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 Pestelektrolyt-Rohres 11 ist von einem metallischen Gehäuse 23 aus wärme- und zunderfestem Material umgeben; das Gehäuse 23 trägt an seiner Außenseite ein Einschraubgewinde 24 und hält in seiner Mittelbohrung 25 eine aus wärme- und zunderfestem Material bestehende Schutzeinrichtung 26, die das geschlossene Ende des Festelektrolyt-Rohres 11 umhüllt, eine.Anzahl von öffnungen 27, 27' für den Ein- und Austritt von Abgasen hat und durch einige Schweißpunkte 28 am Gehäuse 23 befestigt ist; die erfindungsgemäßen öffnungen 27, 27' werden noch beschrieben.

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 zum Beispiel 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 Xontakt zwischen Gehäuse 23 und der auf der Außenseite des Festelektrolyt-Rohres 11 aufgebrachten Katalysator-Schicht 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

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und hält in seinem anschlußseitigen Endabschnitt eine Isolierstoff scheibe 40, die den Steckkontakt 21 fest umgibt und das anschlußseitige Ende des Schutzrohres 38 abschließt; die für die Befestigung der Isolierstoffscheibe 40 verwendete Einschnürung 4l am Schutzrohr 38 dient gleichzeitig zum Einrasten eines Wulstes 42, der sich an der Innenseite einer strichpunktiert angedeuteten Anschlußhülle 43 befindete Der zwischen dem Wulst 42 und dem zum Abgasrohr gerichteten Ende liegende Abs.chnitt der Anschlußhülle 43 weist zum Schutzrohr 38 einen Abstand auf, überdeckt jedoch in seiner Länge die Lufteintrittsöffnungen 39 im Schutzrohr 38; die Lufteintrittsöffnungen 39 sind damit gegenüber der Außenluft geöffnet, jedoch gegenüber dem Eindringen von Spritzwasser weitgehend geschützt.

Die in der Aufbohrung 29 des Gehäuses 23 hintereinander angeordneten Bauteile Ring 3I₃ 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 Warmschrumpfverf.ahren 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 Ausführungsform besteht das Rohrstück 35 aus Stahl mit austenitisehern Gefüge und das Meßfühler-Gehäuse 23 aus Stahl mit ferritischem Gefüge. ' ·

Die in den Mantel 46 der Schutzeinrichtung 26 eingescherten öffnungen 27 haben Klappen als Umleitmittel 47, die derart ins Innere des von der Schutzeinrichtung 26 umgebenen Raumes weisen, daß radial auf den Meßfühler 10 treffende Abgase nicht direkt auf das Festelektrolyt-Rohr 11 auftreffen und die darauf befindliche Katalysator-Schicht 12 beschädigen können,

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sondern annähernd tangential mit dem Pestelektrolyt-Rohr 11 in Berührung kommen. Die als Klappen ausgebildeten Umleitmittel 47 verlaufen parallel zur Achse der Schutzeinrichtung in dem Mantel 46, sie können jedoch auch schraubenförmig im Mantel 26 angeordnet sein.

Derartige Schutzeinrichtungen.26 werden vorzugsweise so hergestellt, daß die Umleitmittel 47 in eine ebene Platine eingeschert werden, daß dann die Platine zu einem Rohr gerollt wird, dessen zusammenstoßende Endabschnitte zusammengeschweißt werden; aufgrund dieser Fertigungsfolge überdecken die Klappen 47 mit Sicherheit die öffnungen 27.

Fig. 3 zeigt eine Alternative einer Schutzeinrichtung, die mit 26' bezeichnet ist; hierbei sind die Umleitmittel 47' im Mantel 46' auch als Klappen ausgebildet, sie weisen jedoch nach außen.

Die Fig. 4 zeigt eine Schutzeinrichtung 26, nach Fig. 1 und 2, wobei die am freien Ende der Schutzeinrichtung 26 befindliche Öffnung 27' einen Boden 48 hat; dieser Boden 48 ist an den Mantel 46 angeschweißt und weist eine Anzahl Löcher 49 auf. - Anstelle des, eingeschweißten Bodens 48 ist die Herstellung eines Bodens auch derart möglich, daß bereits die Platine, aus der die Schutzeinrichtung 26 gerollt wird, mit mehreren dreiecksförmigen Ansätzen versehen ist, die man nach dem Rollen der Platine nach innen drückt und verschweißt.

Je nach der Strömung der Abgase im Abgasrohr ist zu entscheiden, ob der Boden 48 Löcher 49 aufweisen muß oder nicht.

Es sei noch erwähnt, daß anstelle von Umleitmitteln 47, 47', die sich weitgehend über die Länge des Mantels 46, 46' erstrecken auch mehrere kleine öffnungen 27 mit Umleitmitteln 47» 47' eignen,

Es sei zudem noch bemerkt, daß Schutzeinrichtungen gemäß der

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Erfindung auch aus einem Rohrabschnitt hergestellt oder auch aus einer Anzahl von Schlitze bildenden Lamellen zusammengeschweißt werden können.

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Claims

Ansprüche

1. Elektrochemischer Meßfühler für die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Abgasen, insbesondere in Abgasen von Verbrennungsmotoren, mit einem ionenleitenden, einseitig mit einem Boden versehenen Pestelektrolyt-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, und dessen den Abgasen ausgesetzter Teil mit einer Schutzeinrichtung umgeben ist, die mit Abstand um das Festelektrolyt-Rohr angeordnet ist, am anschlußseitigen Endabschnitt das Pestelektrolyt-Rohr direkt oder indirekt dicht umfaßt, das bodenseitige Ende des Pestelektrolyt-Rohres überragt und mindestens je eine öffnung für den Ein- und Austritt von Abgasen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die vorhandenen öffnungen. (27) in der Schutzeinrichtung (26) Umleitmittel (47, 47') haben, die zwar die Abgase zum Pestelektrolyt-Rohr (11) leiten, jedoch das Festelektrolyt-Rohr (11) einem direkten Aufprall von Abgasen entziehen.

2. Elektrochemischer Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzeinrichtung (26) in ihrem Mantel (46, 46') Taschen bzw. Klappen als Umleitmittei (47, 47') hat.

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3. Elektrochemischer Meßfühler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzeinrichtung (26) nach innen weisende Taschen bzw. Klappen (47) hat.

4. Elektrochemischer Meßfühler nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Taschen bzw. Klappen (47) parallel zur Achse der Schutzeinrichtung (26) oder schraubenförmig verlaufen.

5. Elektrochemischer Meßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 4_S

. dadurch gekennzeichnet,, daß die Schutzeinrichtung (26) an seinem freien Endabschnitt einen geschlossenen Boden (48) bzw. einen Boden (48) mit Löchern (49) hat.

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