DE2343428A1

DE2343428A1 - Elektrochemischer messfuehler fuer die bestimmung des sauerstoffgehaltes in abgasen, insbesondere in abgasen von verbrennungsmotoren

Info

Publication number: DE2343428A1
Application number: DE19732343428
Authority: DE
Inventors: Karl-Hermann Dipl-Phys Friese; Guenter Knoll; Rudolf Pollner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1972-03-10
Filing date: 1973-08-29
Publication date: 1975-03-13

Description

R.I 6 86

9.8.1973 Zr/Gü

Anlage zur

Patent- und

Gebrauchsmusterhilfsanmeldung

ROBERT ΒΟΓ-CH GnBH, STUTTGART

Elektrochemischer Meßfühler für die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Abgasen, insbesondere in Abgasen von "Verbνennungr./nοtoren

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrochemischen Keßfühler für die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Abgasen, insbesondere in Abgasen von Verbrennungsmotoren, mit einem ionenleitenden, einseitig geschlossenen Festelektrolytrohr, auf dessen Außen- und Innenfläche sich je eine elektronenleitende Schicht als Elektrode befindet, von denen die Innenelektrode mit einem Anschlußbolzen elektrisch leitend verbunden ist und mit der Uuigebungsluft durch die öffnung des Festelektrolytrohres in Verbindung steht, und von denen die Außenelektrode mit einem Gehäuse elektrisch leitend verbunden ist, das den Bund des Festelektrolytrohres umgibt und in seiner Längsbohrung eine Schulter als Auflage für den Bund des Festelektrolytrohres enthält, und daß die Abdichtung zwischen Festelektrolytrohr und Gehäuse durch einen elektrisch leit-

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fähigen Glasschmelzfluß bewirkt wird, der einen Eindrückring enthält und "bei den an dieser Stelle auftretenden Temperaturen "beständig bleibt.

Aufgrund der wechselnden Temperatureinflüsse während der Meßfühler-Herstcllung und auch während des Betriebes am Motor besteht bei unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Bauteile des Meßfühlers die Gefahr der Rißbildung bzw. sogar der eines Bruches des Festelektrolytrohres bzw. eines Undichtwerdens der Abdichtung zwischen Festelektrolytrohr und Gehäuse. Es wurde deshalb bereits vorgeschlagen, daß das Festelektrolytrohr mit dem Gehäuse durch eine dünne Hartlötschicht oder einen dünnen elektrisch 1eitfähigen GlasSchmelzfluß verbunden wird, wobei das Gehäuse aus einer teux\en Kickel-Eisen-Kobalt-Legierung hergestellt ist und somit einen V.'ärmeausdehnungüKoeffizienten aufweist, der dem des Fistelektrolytrohres in etwa entspricht; Gehäuse aus derartigem Material sind jedoch verhältnismäßig teuer.

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Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, einen elektrochemischen Meßfühler zu entwickeln, der billigere warafeste Stoffe für das Gehäuse erlaubt, obwohl derartige Stoffe einen deutlich höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten als das Festelektrolytrohr aufweisen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der den Festelektrolytrohr-Bund umgebende Abdich.träum im wesentlichen von einem rejativ dünnwandigen Teil des Gehäuses umgeben ist, einen am Gehäuse anliegenden Eindrückring und den Glasschiaelzfliiß oberhalb einer ¹D :i chtung enthält, die den Abdichtraum zum abgasrohrseitigen Ende des Meßfühlers hin begrenzt.

Bei dieser Anordnung sorgt der Eindrückring dafür, daß bei Abkühlvorgängen das im Durchmesser schrumpfende Gehäuse keine Spannungen auf den Bund des Festelektrolytrohres ausüben kann, indem er die Schrumpfkräfte des Gehäuses abfängt. Die Dichtung

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unterhalb des Glasschmelzflusses trägt andererseits dafür Sorge, daß der Glasschraelzfluß anläßlich der Meßfühler-Montage nicht in den Spalt zwischen Festelektrolytrohr und Gehäuse eindringt, aber auch dafür, daß auf dem verhältnismäßig breiten Boden des Gehäuses im Abdichtraum kein Glasschmelzfluß zur Auflage kommt, da bei wechselnden Temperatureinflüssen in diesem Bereich besonders hohe Spannungen auftreten.

Derartige erfindungsgemäße Dichtungen können feste Körper aus einem Material sein, deren Värmeausdehnungskoeffizient dem des Festelektrolytrohrs ähnelt, sie können auch ein dünriwandip;er, metallischer Profilring sein oder auch aus einer pulver- oder faserförmigen Masse bestehen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform sitzt der Festelektrolytrohr-Bund mit seinem Absatz in einem Fixiereinlaß des Gehäuses, wobei die Gehäusewand im Bereich des Fixiereinlasces infolge einer Außennut etwa die gleiche Dicke aufvreist wie der relativ dünnwandige, den Abdichtraum des Gehäuses umgebende Gehäuse-Wandteil.

Bei dem von oben in den Glasschrrielzfluß eingepreßten Eindrückring handelt es sich entweder um Körper aus einem Material, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient gleich oder kleiner ist als der des Festelektrolytrohres und dessen Innenwand Abstand vom Feste]ektrolytrohr-Bund hat, oder um einen mit Abstand um den Festelektroüytrohr-Bund angeordneten Stahlring, der an seiner Unterseite einen gepreßten bzw. vorgeglühten, aber ungesinterten Oxidpulver-Eing aufweist, welcher bis an den Festelektrolytrohr-Bund heranreichen darf, oder um einen dünnwandigen metallischen, im wesentlichen U-förmigen Profilring, der mit einem am Festelektrolytrohr-Bund anliegenden, ebenfalls dünnwandigen Flansch versehen ist, welcher am freien Endabschnitt·des zum Festelektrolytrohr-Bund weisenden U-Schenkelsangeformt ist.

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

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es zeigen:

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen elektrochemischen

Meßfühler in vergrößerter Darstellung, wobei das Gehäuse und der Abdichtraum zwischen Gehäuse und Festelektrolytrohr-Bund geschnitten dargestellt sind,

Fig. 2 bis 9 verschiedene Alternativen für die Ausführung einer unter dem Glasschmelzfluß anzuordnenden Dichtung im Querschnitt und in vergrößerter Darstellung,

Fig. 10 einen Ausschnitt aus einem vergrößert dargestellten erfindungsgemäßen elektrochemischen Meßfühler im Bereich des Abdichtraumes (Schnitt), dessen Gehäuse-Wandung in Höhe des Festelektrolytrohr-Absatses geschwächt ist,

Fig.11 bis 14 verschiedene Ausführungsformen von Eindrückringen im Schnitt und vergrößertem Maßstab.

Der in Fig. 1 dargestellte erfindungsgemäße Meßfühler enthält ein einseitig geschlossenes Festelektrolytrohr 10, das außen an seinem offenen Endabschnitt einen Bund 11 trägt und aus stabilisiertem kubischem Zirkondioxid besteht; auf der äußeren Oberfläche dieses Festelektrolytrohres 10 befindet sich eine nicht besonders gekennzeichnete Platinschicht, die auch teilweise die Oberfläche des Bundes 11 bedeckt. Im nicht gezeigten Hohlraum des Festelektrolytrohres 10 ist eine innere Elektrode in Form einer Leiterbahn angebracht, die mit einem elektrisch leitenden Anschlußbolzen 12 verbunden ist; der Hohlraum des Festelektrolytrohres 10 ist anschlußseits mit einer nicht dargestellten Öffnung versehen, die den Zutritt der Außenluft erlaubt.

Das Festelektrolytrohr 10 steckt in der Längsbohrung 14 eines Gehäuses 15 aus verhältnismäßig billigem Stahl; es liegt dabei mit seinem am Bund 11 befindlichen Absatz 16 auf einer Schulter 17 eines konzentrisch zur Gehäuse-Längsbohrung 14 angeordneten

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Fixiereinlasses 18. Oberhalb dieses Fixiereinlasses Ί8 ist das Gehäuse 15 noch weiter aufgebohrt und bildet zwischen einem erfindungsgemäß besonders dünnwandigem Gehäuseteil 19 und dem Festelektrolytrohr-Bund 11 einen Abdichtraum 20. Auf dem Boden

21 dieses Abdichtraumes 20 liegt eine erfindungsgemäße Dichtung

22 der sich nach oben hin ein elektrisch leitfähiger Glasschmelzfluß 23 anschließt, der bei den an dieser Stelle auftretenden Temperaturen beständig bleibt und einen Eindrückring 24 enthält; Dichtung 22, Glasschmelzfluß 23 und Eindrückring 24 füllen im wesentlichen den Abdichtraum 20 aus.

Der Meßfühler ist durch ein an der Außenseite des Gehäuses 15 angebrachtes Gewinde 25 im Abgasrohr eines Motors einschraubbar.

Die Dichtung 22 im Abdichtraum 20 hat erfindungsgemäß die Aufgabe, daß beim Einnontieren des Festelektrolytrohres 10 in das Gehäuse 15 kein Glasschmelzfluß 23 in. die Gehäuse-Längsbohrung 14 einfließt und bei Fertigung und im Betrieb infolge von Schrumpfvorgängen im Bereich des relativ dicken Abdichtraum-Bodens 21 keine Spannungen auf das Festelektrolytrohr 10 einwirken und zu Rissen bzw. Bruch am I'estelektrolytrohr 10 führen. Diese Wirkung der Dichtung 22 kann auf folgende Arten erzielt werden:

a) Man verwendet als Dichtung 22 einen festen ringförmigen Körper 26 (siehe Fig. 2) bzw. 27 (siehe Fig. 3)?der auf dem Abdichtraum-Boderi 21 aufliegt, den Abdichtraum 20 in diesem Bereich ausfüllt und aus einem Material besteht, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient dem des Festelektrolytrohres 10 ähnelt; ein solcher Körper 26 mit quadratischem Profil bzw. 27 mit dreieckigem Profil - auch andere Profile sind möglich - kann beispielsweise aus Titan, Vacon 70 (Ni-Co-Fe-Legierung) oder - wie in Fig. 4 dargestellt ein Keramikring 28 sein. In Fig. 5 ist eine Alternative zum Keramikring 28 dargestellt, bei der nämlich ein Keramikring 29 direkt an einen Festelektrolytrohr-Bund 11/1 angeformt ist. 509811/0501

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b) Als Dichtung 22 wird ein dünnwandiger, metallischer Profilring 30 verwendet, der ebenfalls den Boden 21 des Abdichtraumes 20 bedeckt, beispielsweise aus Stahl oder Kupfer besteht und die unterschiedlichsten Profile aufweisen kann: In Fig. 6 ist ein Profilring J>0 mit U-förmigem Profil 31 * in Fig. 7 ein Profilring 30 mit kreisabschnittförmigem Profil 32, in Fig. 8 ein Profilring 30 mit rohrförmigem Profil 33 und in Fig. 9 ein Profilring 30 mit S-förmigem Profil 3^- dargestellt.

c) Die Dichtung 22 besteht aus einer pulver- oder faserförmigen Masse 35ϊ die den gesamten Boden 21 des Abdichtraumes 20 bedeckt (siehe Fig. 10), die jedoch auch als Preßkörper in den Abdichtraum 20 eingebracht werden kann. Als Material für derartige Massen 35 können beispielsweise oxidkeramische bzw. silikatkeramische Rohstoffe (Tonerde, Tonerde mit silikatischen Flußmitteln, Talkum, Kaolin, Ton u.a.), Metallpulver oder -fasern, Karbidpulver u.a.m. Anwendung finden.

d) Solche Dichtungen 22 können jedoch auch aus einer Kombination der genannten Möglichkeiten zusammengesetzt werden.

In Fig. 10 ist eine besonders vorteilhafte Ausbildung des Gehäuses 15 dargestellt, bei der nämlich auch infolge einer Gehäuse-Außennute 36 im Bereich des Fixiereinlasses 18 ein Gehäusewandteil 37 geschwächt wird; dieser Viandteil 37 hat etwa die gleiche Dicke wie der \7andteil 19 cLes Gehäuses 15· Diese Maßnahme verringert die auf das Festelektrolytrohr 10, 11 v/irkenden Spannungen des Gehäuses I5.

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Als Preßstempel zur Verdichtung der leitenden Schmelze und um die Schrumpfkräfte des Gehäuse-Wandteils 19 abzufangen, wird von oben in den Abdichtraum 20 ein Eindrückring 24 eingeschoben, der wie folgend beschrieben ausgebildet sein kann:

1) In. den Fig. 11 und 12 sind Eohrabschnitte 37 bzw. 38 dargestellt, deren Außendurchmesser dem Innendurchmesser des Abdichtraumes 20 entspricht, deren Innendurchmesser jedoch größer ist als der Außendurchmesser des Festelektrolytrohr-Bundes

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11 und die aus einem Material bestehen, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient gleich oder kleiner ist als der des Festelektrolytrohresi; als Material für diese Eindrückringe 37, 38 sind Titan, Vacon 70 u.ä._; aber auch gesinterte Keramik, wie z.B. Sinterkorund geeignet. Der Eindrückring 38 in Fig. 12 unterscheidet .sich von dem Eindrückring 37 in Fig. 11 dadurch, daß er eine Schräge 39 hat, die in Kombination mit dem angeschrägten Dichtring 27 nach Fig. 3 eine Art Überlappung ergibt, die das Festelektrolytrohr 10 besonders wirkungsvoll gegen radiale Schrumpfspannung des Gehäuses 15 abschirmt.

2) Anstelle des verhältnismäßig teuren Titan bzw. Vacon 70 kann - wie in Fig. 13 gezeigt - ein billiger Stahlring 40 dienen, der auch noch dünnwandiger sein kann als die Eindrückringe 37 und 38, jedoch an seiner Unterseite mit einem gepreßten bzw. vorgeglühten, oder auch gesinterten Oxidpulver-Ring 41 kombiniert sein muß, der bis an den Festelektrolytrohr-Bund 11 heranzureichen hat; als Oxidpulver kann Aluminiumoxid Verwendung finden.

3) Als Eindrückring 24 kann aber auch ein dünnwandiger metallischer, im wesentlichen U-förmiger Profilring 42 genommen werden, der mit einem am Festelektrolytrohr-Bund 11 anliegenden, ebenfalls dünnwandigen Flansch 43 versehen ist und - über den Flansch 23 gemessen-die Breite des Abdichtraumes 20 weitgehend abgedeckt; der Flansch 43 ist dabei an den freien Endabschnitten der Profilring-Schenkel 44 angeformt. Als Material für derartige Profilringe 42 kann beispielsweise Titan, Vacon, Stahl o.a. eingesetzt werden.

Um einen erfindungsgemäßen Meßfühler zu montieren, wird zunächst das Gehäuse 15 in einer entsprechenden Halterung aus zunderfestem Material aufgenommen, dann das Festelektrolytrohr 10 in die Längsbohrung 14 des Gehäuses⁵eingesteckt, anschließend die Dichtung in den Abdichtraum 20 eingebracht, dann ein pulver- oder granulatförmiger Stoff (kann auch als Ring vorgepreßt sein) in den Abdichtraum 20 eingeführt, der beispielsweise aus Glas und Kupfer bestehen kann und den später elektrisch leitfähigen Glasschmelzfluß 23 ergibt, und als letztes noch ein Eindrückring 24 ein wenig in den Abdichtraum 20 eingeführt. Diese vormon-

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tierte Einheit wird dann in einem Ofen auf ca. 820° erhitzt

und dann der Eindrückring 24 mit einem Preßdruck von ca. 50 kp/cm in den noch flüssigen Glasschmelzflxiß 23 eingedrückt. Der Glasschmelzfluß 23 wird dadurch verdichtet und in sämtliche
Spalte gepreßt; nach dem Einpressen des Eindrückringes 24 wird der Druck hierauf so lange aufrecht erhalten, bis der Glasschmelzfluß 23 unter seine Transformationstemperatur von
etwa 500 ⁰C abgekühlt ist.

Falls auch der Anschlußbolzen 12 mit der nicht gezeigten Leiterbahn im Hohlraum des Festelektrolytrohres 10 durch einen G-lasschmelzfluß verbunden wird, kann das Einschmelzen des Festelektrolytrohres 10 im Gehäuse 15 mit dem Verbinden von Anschlußbolzen 12 mit der inneren Leiterbahn gleichzeitig erfolgen.

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Claims

Ansptu ehe

/ 1 J Elektrochemischer Meßfühler für die Bestimmung des Sauerstoffgehalt es in Abgasen, insbesondere in Abgasen von Verbrennungsmotoren, mit einem ionenleitenden, einseitig geschlossenen Festelektrolytrohr, auf dessen Außen- und Innenfläche sich je eine elektronenleitende Schicht als Elektrode befindet, von denen die Trmenelektrode mit einem Anschlußbolzen elektrisch leitend verbunden ist und mit der Umgebungsluft durch die öffnung des Festelektrolytrohres in Verbindung steht, und von denen die Außenelektrode mit einer:· Gehäuse elektrisch leitend verbunden, ist, das den Bund des Festelektrolytrohres umgibt und in seiner Längsbohrung eine Schulter als Auflage für den Bund des Festelektrolytrohres enthält, und daß die Abdichtung zwischen Festelektrolytrohr und Gehäuse dui*ch einen elektrisch leitfähigen Glasschmelzfluß bewirkt wird, der einen Eindrückring enthält und bei den an dieser Stelle auftretenden Temperaturen beständig bleibt, dadurch gekennzeichnet, daß der den Festelektrolytrohr-Bund (11) umgebende Abdichtraum (20) im wesentlichen von einem relativ dünnwandigen Teil (19) des Gehäuses (15) umgeben ist, einen am Gehäuse (19) anliegenden Eindrückring (2h) und den Glasschmeüzfluß (2J) oberhalb einer Dichtung (22) enthält, die den Abdichtraum (20) zum abgasrohrseitigen Ende des Meßfühlers hin begrenzt.

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2. Elektrochemischer Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung (22) ein fester Körper (26, 27, 28) aus einem Material ist, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient dem des Festelektrolytrohres (10) ähnelt - z.B. Titan, Vacon 70, Keramik.
3. Elektrochemischer Meßfühler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung (22) ein direkt an das Festelektrolytrohr (1O) angeforinter Flansch (29) ist.
4. Elektrochemischer Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung (22) ein dünnwandiger, metallischer Profilring (30 bis 3⁷O ist - z.B. aus Stahl oder Kupfer.
5. Elektrochemischer Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung (22) aus einer pulver- oder faserförmigen Masse (35) besteht - z.B. aus oxid- bzw. silikatkeramischen Rohstoffen, metallischen Rohstoffen, Karbidpulver.
6. Elektrochemischer Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung (22) eine Kombination der in den Ansprüchen 2 bis 5 genannten Dichtungsarten (26 bis 35) ist.
7. Elektroche'mischer Meßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch-gekennzeichnet, daß der Festelektrolytrohr-Bund (11)

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mit seinem Absatz (16) in einem Fixiereinlaß (18) des Gehäuses (15) sitzt.
8. Elektrochemischer Meßfühler nach Anspruch 7* dadurch gekennzeichnet, daß die Wand des Gehäuses (15) im Bereich seines Fixiereinlasses (18) infolge einer Außennut (36) etwa die gleiche Dicke aufweist wie der relativ dünnwandige, den Abdichträum (20) des Gehäuses (15) umgebende Gehäuse-Wandteil (19)·
9. Elektrochemischer Meßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Eindrückring (24) ein Körper (37, 38) aus einem Material ist, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient gleich oder kleiner ist als der des Festelektrolytrohres (10) - z.B. Titan, Vacon, Sinterkorund -_Jund daß seine Innenwand Abstand vom Festelektrolytrohr-Bund (11) hat.
10. Elektrochemischer Meßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Eindrückring (24) ein mit Abstand um den Festelektrolytrohr-Bund (11) angeordneter Stahlring (40) ist, der an seiner Unterseite einen gepreßten bzw. vorgeglühten, oder gesinterten Oxidpulver-Ring (41) (z.B. aus Aluminiumoxid) aufweist, welcher bis an den Festelektrolytrohr-Bund (11) heranreicht .

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11. Elektrochemischer Meßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Eindrückring (24) ein dünnwandiger metallischer, im wesentlichen U-förmiger Profilring (42) ist (z.B. aus Titan, Vacon oder Stahl), der mit einem am Festelektrolytrohr-Bund (11) anliegenden, ebenfalls dünnwandigen Flansch (43) versehen ist, welcher am freien Endabschnitt des zum Festelektrolytrohr-Bund (11) weisenden U-Schenkels(44) angeformt ist.

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