DE2326086C3

DE2326086C3 - Electrochemical measuring sensor for the determination of the oxygen content in exhaust gases, especially in exhaust gases from internal combustion engines

Info

Publication number: DE2326086C3
Application number: DE19732326086
Authority: DE
Inventors: Helmut Dipl.-Ing. 7141 Schwieberdingen; Ungerer Erwin Dipl.-Ing. 7251 Höfingen; Wößner Günter Dipl.-Ing. Dr. 7300 Eßlingen Weyl
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Filing date: 1973-05-23
Publication date: 1976-08-19

Description

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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 steht und nur den Abgasen zugewendet ist. und dessen Innenseite im Bereich seines Bodens mit einem elektrischleitfähigem 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 Festelektrolyt-Rohr direkt oder indirekt dicht umfaßt, das bodenseitige Ende des Festelektrolyt-Rohres überragt und mindestens je eine öffnung für den Ein- und Austritt von Abgasen aufweist.The invention relates to an electrochemical sensor for determining the oxygen content in exhaust gases, in particular in exhaust gases from internal combustion engines, with an ion-conducting, one-sided bottomed solid electrolyte tube the outside of which has an electron-conducting catalyst layer that is electrically connected to ground and is only facing the exhaust gases. and its inside in the area of its bottom with a electrically conductive connector is in connection and is exposed to the ambient air. and its part exposed to the exhaust gases with a protective device is surrounded. which is arranged at a distance around the solid electrolyte tube. at the connection-side end section the solid electrolyte tube directly or indirectly tightly encloses the bottom end of the solid electrolyte tube towers above and at least one opening each for the Has inlet and outlet of exhaust gases.

Bei einem bekannten elektrochemischen Meßfühler dieser Art (siehe DT-OS 21 15 619) ist der den Abgasen ausgesetzte Teil des Festelektrolyt-Rohres mit einer Schutzhülse versehen, die eine Anzahl von öffnungen aufweist. Bei diesen Meßfühlern wird jedoch die elektronenleitende Katalysator-Schicht an der Außen seite des Festelektrolyt-Rohres dadurch schnell zerstört, daß der Abgasstrom durch die Löcher eintritt, einschließlich seiner groben Partikel direkt auf die Katalysator-Schicht aufschlägt und diese zerstört: außerdem wird der hinter den Löchern der Schubeinrichtung liegende Bereich der Katalysator-Schicht bei plötzlichen Temperatur- oder Druckänderungen im anströmenden Abgas nicht vor den auftretenden Schockw irkungen geschützt.In a known electrochemical sensor of this type (see DT-OS 21 15 619) that is the exhaust gases The exposed part of the solid electrolyte tube is provided with a protective sleeve that has a number of openings having. With these sensors, however, the electron-conducting catalyst layer is on the outside side of the solid electrolyte tube is quickly destroyed as a result, that the exhaust gas flow enters through the holes, including its coarse particles directly on the The catalyst layer hits and destroys it: in addition, the one behind the holes in the pusher device lying area of the catalyst layer in the event of sudden temperature or pressure changes in the Inflowing exhaust gas is not protected from the shock effects that occur.

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; darüber hinaus sollen die Abgaskomponenten innerhalb der Schutzeinrichtung gut vermischt werden, damit das ausströmende Abgasgemisch homogenisiert ist.In contrast, the invention is based on the object of providing an electrochemical measuring sensor create its electron-conducting catalyst layer on the solid electrolyte tube before intensive erosion as well as temperature and pressure shock effects is protected by the impacting exhaust gas flow. but not the sensitivity of the sensor because of insufficient amount of exhaust gas on the Probe is deteriorated; in addition, the exhaust gas components should be inside the protective device be mixed well so that the exhaust gas mixture flowing out is homogenized.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelost, daß die vorhandenen Öffnungen in der Schutzeinrichtung Umleitmittel zur Verhinderung eines direkten Aufpralls von Abgasen auf das Festelektrolyt-Rohr haben. 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 Igleitmittel: diese Taschen bzw. Klappen können nach außen weisen, sind jedoch wirkungsvoller, wenn sie in den Innenraum der Schutzeinrichtung weisen. Diese Taschen b/w. 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 Endabschnitt der Schutzeinrichtung mit einem geschlossenen Boden oder auch mit einem Boden mit Löchern versehen ist.This object is achieved according to the invention in that the existing openings in the Protective device bypassing means to prevent exhaust gases from directly impacting the solid electrolyte tube to have. The diversion means slow down the energy present in the exhaust gas, including reduction in exhaust gas flow rate and also for a good mixing of the exhaust gas components. In a preferred embodiment The protective device is made of pockets or flaps stamped into the jacket of the protective device As a lubricant: these pockets or flaps can point outwards, but are more effective when they Point into the interior of the protective device. This Bags b / w. Flaps preferably run parallel to the axis of the shell, but they can also be arranged helically. Depending on the application, it can be advantageous if the free End section of the protective device with a closed base or with a base with holes is provided.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden beschrieben und näher erläutert; es zeigtEmbodiments of the invention are shown in the drawing and are described below described and explained in more detail; it shows

F i g. 1 einen Längsschnitt durch einen elektrochemischen Meßfühler mit einer Schutzeinrichtung, die nach innen weisende Taschen als Umleitmittel hat (in vergrößertem Maßstab).F i g. 1 shows a longitudinal section through an electrochemical sensor with a protective device, which according to has inside-facing pockets as diversion means (on an enlarged scale).

F i g. 2 einen Querschnitt durch den Meßfühler nach Fig. 1 entsprechend der Linie H-Il.F i g. 2 shows a cross section through the sensor according to FIG. 1 along the line H-II.

Fig. 3 einen Querschnitt durch einen elektrochemischen Meßfühler ähnlich dem nach Fig.2. jedoch mit nach außen weisenden Taschen als Umleitmittel und3 shows a cross section through an electrochemical Sensor similar to that of Fig. 2. but with outward-facing pockets as diversion means and

F i g. 4 den abgasseitigen Endabschnitt eines elektrochemischen Meßfühlers gemäß dem nach Fig. 1 und 2, jedoch mit einem Boden am freien Ende der Schutzeinrichtung.F i g. 4 the exhaust end section of an electrochemical measuring sensor according to that of FIGS. 1 and 2, but with a base at the free end of the protective device.

Der in F i g. 1 und 2 dargestellte elektrochemische Meßfühler IO hat ein ionenleitendes, 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 14 (z. B. Platin) versehen ist. Wenn der Meßfühler 10 in ein Abgasrohr eines Motors eingebaut ist, wird die Katalysator-Schicht 12 von den AbgasenThe in F i g. 1 and 2 shown electrochemical measuring sensor IO has an ion-conducting, closed on one side Solid electrolyte tube 11, which consists of zirconium dioxide, has an electron-conducting surface on its outer surface Carries catalyst layer 12 made of platinum and on the inside with an electron-conducting layer extending to the bottom 13 Layer 14 (z. B. platinum) is provided. When the probe 10 is installed in an exhaust pipe of an engine is, the catalyst layer 12 is from the exhaust gases

umspült, wahrend die l-ängsbohrung 15 des Festelektrolyi-Rohres Il der AuBentuft ausgesetzt ist In die !.ängsbohrung 15 des Festelektrolyt Rohres Il ragt ein rohrformiges Anschlußteil 16. das sich mit einem konzentrischen Wulst 17 auf einem abgerundeten S Übergang 18 in der Längsbohrung 15 abstützt. Die anschlußseitig erweiterte Längsbohrung 15 des Fest elektrolyt-Rohres It ist außerhalb des Anschlußteils 16 mit einem elektrisch leitfähig^.! Glasschmel/fluß 19 bekannter Art verschlossen und mit einem metallenen >° Rohrabschnitt 20 abgedeckt; der Glasschmel/fluß .«9 dient dabei sowohl dem starren und dichten Linbau des Anschijßteils 16 in die Längsbohrung 15 als auch zur Kontaktierung der elektronenleitenden Schicht 14 mit dem Anschlußteil 16. Das Anschlußteil 16 ist an seinem '5 anschlußseitigen Endabschnitt als Steckkontakt 21 ausgebildet und mn zwei eingescherten Lufteintrittsöffnungen 22 versehen.lapsed around it, while the longitudinal bore 15 of the solid electrolyte tube II is exposed to the outside air supports. The connection side extended longitudinal bore 15 of the solid electrolyte tube It is outside the connection part 16 with an electrically conductive ^.! Glass melt / flow 19 of known type closed and covered with a metal > ° pipe section 20; The glass melt / flux. «9 serves both for the rigid and tight construction of the connection part 16 in the longitudinal bore 15 and for contacting the electron-conducting layer 14 with the connection part 16. The connection part 16 is designed as a plug contact 21 at its end section on the connection side mn two reeved air inlet openings 22 are provided.

Der mittlere Bereich des Festelektrolyt-Rohres 1! 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 Festeleklrolvt-Rohres 11 umhüllt, eine Anzahl von öffnungen 27, 27' fur den Ein- und Austritt von Abgasen hat und durch einige Schweißpunkte 28 am Gehäuse 23 befestigt ist: die erfindungsgemaüen Öffnungen 27, 27' werden noch beschrieben.The middle area of the solid electrolyte tube 1! is surrounded by a metallic housing 23 made of heat and scale resistant material; the. Housing 23 carries a screw-in thread 24 on its outside and holds in its central bore 25 a protective device consisting of heat and scale-resistant material 26. which is the closed end of the Festeleklrolvt tube 11 envelops a number of openings 27, 27 'for the Has inlet and outlet of exhaust gases and is attached to the housing 23 by some weld points 28: the Openings 27, 27 'according to the invention will be described below.

Die Mittelbohrung 25 des Gehäuses 23 ist anschluß seitig als Aufbohrung 29 ausgebildet, d^ren /ur 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 Kontakt zwischen Gehäuse 23 und der auf der Außenseite des Festelektrolyt-Rohres 11 aufgebrachten Katalysator-Schicht 12. Auf der zum Abschluß 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 ut.d 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 anscMußseitige 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 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 Sprii/w asser weitgehend geschützt.The central bore 25 of the housing 23 is connection formed on the side as a bore 29, d ^ ren / ur Central bore 25 leading support shoulder 30 carries a ring 31 made of relatively soft material such as the Example consists of pure nickel and on which one on the outside of the solid electrolyte tube 11 is formed Flange 32 rests; this ring 31 ensures a seal between the housing 23 and the solid electrolyte Tube 11 and also for the electrical contact between housing 23 and on the outside of the Catalyst layer 12 applied to the solid electrolyte tube 11. On the side 33 facing towards the end of the flange 32, a ring 34 is placed, which is also made of relatively soft material such. B. pure nickel and the connection side a pipe section 35 as Compensating element 36 follows. This pipe section 35 is joined by a flange 37 of a metallic one Protective tube 38, which the connection-side end portion of the solid electrolyte tube 11 ut.d the connection part 16 surrounds concentrically in such a way that only the plug contact 21 protrudes from this protective tube 38. The protective tube 38 has some air inlet openings 39 on its circumference and holds in its connection-side End portion of an insulating disk 40, which surrounds the plug contact 21 and the connection must The end of the protective tube 38 closes; the one used for fastening the insulating disk 40 Constriction 41 on the protective tube 38 serves at the same time to engage a bead 42. which is located on the Inside of a connection sleeve 43 indicated by dash-dotted lines is located. The one between the bead 42 and the section of the connecting sleeve 43 which is located towards the exhaust pipe and faces the protective pipe 38 a distance, but covers the length of the air inlet openings 39 in the protective tube 38; the Air inlet openings 39 are thus open to the outside air, but to penetration Largely protected from spray / water.

Die in der Aufbohrung 29 des Gehäuses 23 hintereinander angedordneten Bauteile Ring 31 Festelektrolyt Rohr-Flansch 32. Ring 34. Rohrstück 35 und der Schutzrohr-Flansch 37 werden durch einen Bordelrand 44 am anschlußseitigen Endabschmtt des Gehäuses 23 längsseits fixiert und durch das bekannte Warmschrumpfverfahren in mit 45 gekennzeichneten Bereich des Gehäuses 23 abdichtend gegeneinander gezogen. Das als Ausgleichselement 36 dienende Rohrstück 35 besieht dabei aus einem Stoff, dessen bei den .verschiedenen Temperaturen auftretende Ausdehnung bzw. Schrumpfung das entsprechende Verhallen der auf das Rohrstück 35 wirkenden Bauteile Gehäuse 23. Festelektroiyt-Rohr Flansch 32, Ringe 31 und 34 und des Schutzrohr-Flansches 37 weitgehend kompensiert; bei dieser Ausführungsform besteht das Rohrstück 35 aus Stahl mit austenitischem Gefüge und das Meßfühler-Gehäuse 23 aus Stahl mit femtischem Gefüge.The in the counter bore 29 of the housing 23 components arranged one behind the other ring 31 solid electrolyte pipe flange 32. ring 34. pipe section 35 and the protective tube flange 37 are through a brothel edge 44 on the connection-side end section of the housing 23 is fixed alongside and by the known heat shrinking process in the area of the housing 23 marked with 45 sealingly drawn against each other. The pipe section 35 serving as a compensating element 36 consists of a substance whose expansion occurs at different temperatures or shrinkage, the corresponding rejection of the components of the housing 23 acting on the pipe section 35. Solid electrolyte tube flange 32, rings 31 and 34 and of the protective tube flange 37 largely compensated; in this embodiment there is the pipe section 35 made of steel with an austenitic structure and the sensor housing 23 made of steel with a femtic structure.

Die in den Mantel 46 der Schutzeinrichtung 26 eingescherten Öffnungen 27 haben Klappen als Umleitmitiel 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 Il auftreffen und die darauf befindliche Katalysator-Schicht 12 beschädigen konrurn. sondern annähernd tangential mit dem Festclektrolyt-Rohr 11 in Berührung kommen. Die als Klappen ausgebildeien Umleitmittel 47 verlaufen parallel /ur Achse der Schutzeinrichtung 26 in dem Mantel 46. sie können jedoch auch schraubenförmig im Mantel 46 angeordnet sein The openings 27 cut into the jacket 46 of the protective device 26 have flaps as diversion means 47, which point into the interior of the space surrounded by the protective device 26 in such a way that the exhaust gases radially striking the sensor 10 do not impinge directly on the solid electrolyte tube II existing catalyst layer 12 damage konrurn. but come into contact approximately tangentially with the solid electrolyte tube 11. The diverting means 47 designed as flaps run parallel to the axis of the protective device 26 in the jacket 46. However, they can also be arranged in the jacket 46 in a helical manner

Derartige Schutzeinrichtungen 26 werden so hergestellt, daß die Umleitmittel 47 in eine ebene Platine eingeschert werden, daß dann die Platine zu einem Rohr gerollt wird, dessen zusammenstoßende Endabschnilte zusammengeschweißt werden; aufgrund dieser Fern gungsfolge überdecken die Klappen 47 mit Sicherheit die öffnungen 27.Such protective devices 26 are produced in such a way that that the diversion means 47 in a flat board be reeved that then the board to a tube is rolled, the abutting end portions of which are welded together; because of this remote This sequence of action certainly covers the flaps 47 over the openings 27.

F i g. 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.F i g. 3 shows an alternative of a protective device, which is indicated at 26 '; in this case, the diversion means 47 'in the jacket 46' are also designed as flaps, they however point outwards.

Die Fig. 4 zeigt eine Schutzeinrichtung 26. nach F i g. 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.FIG. 4 shows a protective device 26 according to FIG. 1 and 2. where the at the free end of the The opening 27 'located in the protective device 26 has a bottom 48; this base 48 is attached to the jacket 46 welded on and has a number of holes 49. Instead of the welded-in bottom 48 is the It is also possible to produce a base in such a way that the circuit board from which the protective device 26 is rolled, is provided with several triangular approaches. which one after rolling the board after inside presses and welds.

Je nach der Strömung der Abgase im Abgasrohr ist zu entscheiden, ob der Boden 48 Löcher 49 aufweisen muß oder nicht.Depending on the flow of the exhaust gases in the exhaust pipe, a decision must be made as to whether the bottom 48 must have holes 49 or not.

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 Umleitmitteln47,47' eignen.It should also be mentioned that instead of diverting means 47, 47 ', which extend largely over the length of the jacket 46, 46 'also extend a plurality of small openings 27 with diverting means 47, 47' suitable.

Es sei zudem noch bemerkt, daß Schutzeinrichtungen auch aus einem Rohrabschnitt hergestellt oder auch aus einer Anzahl von Schlitzen bildenden Lamellen zusammengeschweißt werden können.It should also be noted that protective devices are also made from a pipe section or from a number of slits forming slats can be welded together.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

I. Electrochemical probe for the Bestini mung the oxygen content of exhaust gases m, in particular in exhaust gases of internal combustion engines, mn an ion-conductive, single-sided bottomed solid electrolyte tube, the outside of which an electron-conductive catalyst Schich; has, which is electrically connected to ground and is only facing the exhaust gases. and the inside of which is connected to an electrically conductive connecting part in the area of its bottom and is exposed to the ambient air. and the part exposed to the exhaust gases is surrounded by a protective device. which is arranged at a distance around the Festelcktrolyte tube. directly or indirectly tightly encompasses the solid electrolyte tube at the connection-side end section, protrudes beyond the bottom end of the solid electrolyte tube and has at least one opening each for the inlet and outlet of exhaust gases, characterized in that the openings (27) present in the protective device (26) have diversion means (47, 47 ') to prevent direct impact of exhaust gases on the solid electrolyte tube (11).

2. Electrochemical sensor according to claim I. characterized in that the diverting means (47, 47 ') as pockets or flaps in the jacket (46, 46') of the Protection device (26) are formed.

3. Electrochemical sensor according to claim 2, characterized in that the pockets or Point the flaps (47) inwards.

4. Electrochemical sensor according to claim 2 or 3, characterized in that the pockets or flaps (47) run parallel to the axis of the protective device (26) or helically.

5. Electrochemical sensor according to one of claims 1 to 4, characterized in that the Protective device (26) at its free end section has a closed boom (48) b / w. a Has bottom (48) with holes (49).