DE2351815A1

DE2351815A1 - Elektrochemischer messfuehler fuer die bestimmung des sauerstoffgehaltes in abgasen, insbesondere in abgasen von verbrennungsmotoren

Info

Publication number: DE2351815A1
Application number: DE19732351815
Authority: DE
Inventors: Erwin Dipl-Ing Ungerer; Guenter Dipl-Ing Dr Woessner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1973-10-16
Filing date: 1973-10-16
Publication date: 1975-04-30
Also published as: DE2351815B2; DE2351815C3

Description

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R.1796 .

31ο 8. 1973 Zr/Do

Anlage zur

Patent- und

Gebrauchsmuster-Hilfsanmeldung

Robert Bosch GmbH,. 7 Stuttgart 1

Elektrochemischer Meßfühler für die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes 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_s mit einem ionenleitenden, einseitig mit einem Boden versehenen Festelektrolytrohr, dessen Innenseite eine bis in den Bereich des Bodens reichende elektronenleitende Bahn mit Anschlußteil besitzt und der Umgebungsluft ausgesetzt ist, und dessen Außenseite eine elektronenleitende Katalysatorschicht aufweist, die über ein metallisches Meßfühler-Gehäuse elektrisch mit Masse in Verbindung steht und den Abgasen zugewendet ist,- und dessen den Ab=

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gasen ausgesetzter Teil mit einer Schutzeinrichtung umgeben ist, die mit Abstand um das Festelektrolytrohr angeordnet ist, das Lodenseitige Ende des Festelektrolyt-. rohres überragt und mindestens je eine Öffnung für den Ein- und Austritt von Abgasen enthält, wobei die vorhandenen Öffnungen Umleitmittel haben, die zwar die Abgase zum Festelektroljtrohr leiten, jedoch das Festelektrolytrohr einem direkten Aufprall von Abgasen entziehen, '

Bei einem bekannten elektrochemischen Meßfühler dieser Art ist der den Abgasen ausgesetzte Teil des Festelektrolytrohres mit einer Schutzhülse versehen, die eine Anzahl von öffnungen auf v/eist. Bei diesem Meßfühler wird jedoch die elektronenleitende Katalysatorschicht auf der Außenseite des Festelektrolytrohres dadurch schnell zerstört, daß der Abgasstrom durch die Öffnungen eintritt, einschließlich seiner groben Partikel direkt auf die Katalysatorschicht aufschlägt/ außerdem wird der hinter den Öffnungen der Schutzeinrichtung liegende Bereich der Katalysatorschicht bei plötzlichen Temperatur- oder Druckänderungen- im anströmenden Abgas nicht vor den auftretenden Schockwirkungen geschützt.

Es wurde schon vorgeschlagen, die Schutzeinrichtung in ihrem Mantel mit Taschen bzw. Klappen als Umleitmittel für das auftreffende Gas mit seinen Partikeln zu versehen, wobei die Klappen bzw«, Taschen nach außen weisen können, bevorsugterweise aber nach innen gerichtet sind.

Außerdem wurde auch schon vorgeschlagen, die Schutzeinrichtungen mit zwei koaxial zueinander und mit Abstand voneinander angeordneten Mänteln mit öffnungen auszustatten-, wobei die öffnungen des äußeren Mantels gegenüber den.Öffnungen des inneren Mantels derart gegeneinander versetzt sind, daß sie sich nicht überschneiden«,

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektrochemischen Meßfühler zu schaffen, dessen elektronenleitende Katalysatorschicht auf dem Festelektrolytrohr 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 5 darüberhinaus sollen die Abgaskomponenten innerhalb der Schutzeinrichtung gut vermischt werden«

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß am freien und am ansehlußseitigen Endabschnitt der Schutzeinrichtung öffnungen mit Umleitmitteln für den Ein- bzw«, Austritt von Abgasen angebracht sind_o Dabei sind die öffnungen mit Umleitmitteln am freien Endabschnitt der Schutzeinrichtung in dem Bereich angeordnet, der vor dem lestelektrolytrohr-Boden liegt; als Umleitmittel werden bevorzugterweise entweder kegelstumpfartige oder kegel-■artige. Vorsätze verwendet, aber auch im Mantel befindliche öffnungen mit Klappen bzw» am freien Ende aus dem Schutzeinrichtungs-Mantel ragende Blecheinsätze« Die Öffnungen am ansehlußseitigen Endabschnitt der Schutzeinrichtung führen durch den Schutzeinrichtungs-Mantel und weisen ein Prallblech auf, das sich mit Abstand hinter Jeder Mantel-Öffnung be findet; diese öffnungen können aber auch Klappen bzw. Taschen als Umleitmittel haben«, Mittels der entsprechenden Umleit- und Gasführungsmittel (Klappen, Leitschaufeln_s Kegel, Prallbleche etc.) wird auch z.B. durch eine Drallströmung eine gute Gasvermischung und insbesondere ein intensiver Stoffaustausch an der Oberfläche des Festelektrolytfohres und damit eine rasche Ansprechempfindlichkeit des Meßfühlers erzielt. Erfindungsgemäß können die verschiedenen Arten von öffnungen am freien Endabschnitt der Schutzeinrichtung wahlweise mit den verschiedenen Arten von öffnungen am ansehlußseitigen Endabschnitt der Schutzeinrichtung kombiniert werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden in der Zeichnung dargestellt und im folgenden beschrieben und näher erläu-

^fcert; es zeigen 509818/0437 __n_ Λ

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Pig. 1 eine teilgeschnittene Seitenansicht eines erfindungsgemäßen elektrochemischen Meßfühlers in vergrößertem Maßstab, wobei die Schutzeinrichtung am freien Endabschnitt Öffnungen hat, hinter denen
sich ein Prallblech befindet, und an ihrem abgasrohrseitigem Endabschnitt ein kegelstumpfartiger
Vorsatz als Umleitmittel dient,

Pig. 2 den abgasrohrseitigen Endabschnitt eines erfindungsgemäßen Meßfühlers in vergrößertem Maßstab,
wobei die Schutzeinrichtung an ihrem anschlußseitigen Endabschnitt öffnungen hat, hinter denen sich ein Prallblech befindet, und im abgasrohrseitigen Endabschnitt ein Blecheinsatz als Umleitmittel dient,

Pig. 3 einen Querschnitt durch den Meßfühler nach Pig. 2 entlang der Linie III/III,

Pig. 4 den abgasrohrseitigen Endabschnitt eines erfindungsgemäßen Meßfühlers in vergrößertem Maßstab, wobei sich im anschlußseitigen Endabschnitt der Schutzeinrichtung Öffnungen befinden, hinter denen sich ein Prallblech befindet, und an dessen abgasrohrseitigem Ende ein kegelartiger Vorsatz als Umleitmittel dient,

Pig. 5 den abgasrohrseitigen Teil eines erfindungsgemäßen elektrochemischen Meßfühlers in vergrößertem Maßstab, wobei die Schutzeinrichtung in ihrem anschlußseitigem als auch in ihrem abgasrohrseitigern Endabschnitt öffnungen mit Klappen als Umleitmittel enthält und

Pig. 6 einen Querschnitt durch den Meßfühler nach Fig. 5 entlang der Linie VI-VI.

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Die in den Fig. 1 bis 6 dargestellten elektrochemischen Meßfühler arbeiten nach dem bekannten Prinzip der Sauerstoffkonzentrationskette mit ionenleitendem Festelektrolyt; sie enthalten ein ionenleitendes,einseitig von einem Boden 10 geschlossenes Festelektrolytrohr 11, das aus stabilisiertem, kubischem Zirkondioxyd besteht, auf seiner Außenseite eine elektronenleitende Katalysatorschicht 12 aus Platin trägt und auf seiner Innenseite mit einer elektronenleitenden Leiterbahn 13 versehen ist« die bis in den Bereich des

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Festelektrolytrohr-Bodens/hineinreicht; auch diese Leiterbahn 13 kann aus Platin bestehen. Die Leiterbahn 13 ist mit einem nicht dargestellten Anschlußteil verbunden, das anschlußseits mit einem Steckkontakt 14 elektrisch in Verbindung steht. Das Festelektrolytrohr 11 ist dicht in die Längsbohrung 15 eines metallischen Gehäuses 16 eingebaut, das für den Einbau in ein Abgasrohr mit einem Einschraubgewinde 17 und ^se±nein Schlüsselsechskant 18 ausgestattet ist. An das anschlußseitige Ende des Gehäuses 16 ist ein Schutzrohr 19 angebracht, das mit Lufteintrittsöffnungen 20 für den Eintritt der Umgebungsluft in den Hohlraum 21 des Fest— elektrolytrohres 11 versehen ist.

Der abgasrohrseitige Endabschnitt des Festelektrolytrohres 11 mit Boden 10 ragt aus der Gehäuse-Längsbohrung 15 heraus und ist den im Abgasrohr befindlichen Abgasen ausgesetzt. Um jedoch die elektronenleitende Katalysatorschicht 12 auf dem Festelektrolytrohr 11 vor intensiven Abtragungen sowie vor Temperatur- und Druckschockwirkungen durch den auftreffenden Abgasstrom zu schützen, is t um den aus dem Gehäuse 16 ragen.-den Bereich des Festelektrolytrohres 11 eine erfindungsge-

zwar

mäße Schutzeinrichtung 22 angebracht, die/das Festelektrolytrohr 11 einem direkten Aufprall von Abgasen entzieht, jedoch öffnungen 23 und 24 enthält, durch die die Abgase zum Festelektrolytrohr 11 gelangen können5 die öffnungen am anschlußseitigen Endabschnitt der' Schutzeinrichtung 22 sind dabei mit 23 und die öffnungen am abgasrohrseitigen

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Endabschnitt der Schutzeinrichtung 22 mit 24 bezeichnet.

Die Schutzeinrichtung 22 in Fig. 1 ist koaxial und mit Abstand zum Festelektrolytrohr 11 am Gehäuse 16 befestigt und enthält an ihrem anschlußseitigem Endabschnitt eine Anzahl von öffnungen 23 > hinter denen sich mit Abstand ein Prallblech 25 befindet, das den abgasrohrseitigen Endabschnitt des Gehäuses 16 bildet. Durch die Öffnungen 23 einströmende Abgase mit ihren Partikeln treffen somit nicht direkt das Pestelektrolytrohr 11 mit. der Katalysatorschicht 12, sondern prallen zunächst gegen das Prallblech 25» werden abgelenkt und gelangen erst dann zum Festelektrolytrohr 11. Abgasrohrseits befindet sich vor dem Boden 10 des Festelektrolytrohres 11 ein kegelstumpfartiger Vorsatz 26, der am Schutzeinrichtungs-Mantel 2? angebracht ist, dessen Basisfläche 28 senkrecht zur Längsachse des Pestel ektroly tr ohr es 11 steht und dem Pestelektrolytrohr-Boden 10 abgewendet ist; die Öffnungen 24 führen derart durch den Mantel 27, so daß sie radial auf die Vorsatz-Mantelfläche 29 gerichtet sind. Durch die Öffnungen 24 einströmende Abgase mit ihren Partikeln treffen somit zunädst auf die Vorsatz-Mantelfläche 29 und werden dann am Festelektrolytrohr 11 entlanggeführt; dabei werden die Abgase gut durchmischt, ebenfalls wird dadurch ein guter Stoffaustausch an der Oberfläche des Pestelektrolytrohrs 11 erreicht. Das Prallblech 25 und der Vorsatz 26 bilden somit Umleitmittel 30, die zusätzlich auch Druck- und Temperaturschocks des Abgases gegenüber dem Pestelektrolytrohr 11 abmindern bzw. abhalten.

In. den Pig. 2 und 3 ist eine Alternative einer Schutzeinrichtung 22 dargestellt, dabei enthält der anschlußseitige Enöabschnitt Öffnungen 23 und Prallblech 25 wie bei dem Heßfühler nach Figo 1, jedoch werden die abgasrohrseitigen öffnungen 24 vom Schutzeinrichtungs-Mantel 2? und durch einen Blecheinsatz 31 gebildet, der in die Mantel-Längstjonrung 32 eingesetzt ist, abgasrohrseits ■ is dem Mantel herausragt und innerhalb des Mantels 2^r _; t. -.-^:a :-is kurz oberlialb des Festelektrolytrohr-Bodens 10 leicht\ dieser

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Blecheinsatz 31 ist von kreuzförmigem Profil, kann jedoch auch von anderer entsprechender Gestalt sein_o Elektrochemische Meßfühler mit einem derartigen Blecheinsatz 31 als Umleitmittel 30 sind auch für schrägen Einhau in Abgasrohre geeignete

Die Schutzeinrichtung 22 nach 3Pig« 4 ist auch vorzugsweise für schrägen Einbau in Ahgasrohre geeignet; während die am anschlußseitigen Endabschnitt der Schutzeinrichtung 22 befindlichen Öffnungen 23 und das als Umleitmittel dienende Prallblech 25 ebenso gestaltet sind wie bei den Meßfühlern der vorhergehenden Piguren, ist der abgasrohrseitige Endabschnitt des Meßfühler-Mantels 25 zu einem Trichter 33 erweitert und enthält als Umleitmittel 30 einen kegelartigen Vorsatz 34, dessen Basisfläche 35 dem Pestelektrolytrohr-Boden 10 zugewendet ist und der von einem am Mantel 16 befestigten Halteblech 36 mit Öffnungen 24- gehalten wird; die Vorsatz-Basisfläche 35 ist dabei kleiner im Durchmesser als der Innendurchmesser des Schutzeinrichtungs-Mantels 27. Der als Umleitmittel 30 dienende Vorsatz 34 leitet die vom Trichter 33 aufgefangenen Abgase am Pestelektrolytrohr 11 entlang»

In den Pig. 5 und 6 ist eine weitere Alternative einer Schutzeinrichtung 22 dargestellte Dabei sind die anschlußseitigen Öffnungen 23 und auch die abgasrohrseitigen Öffnungen 24 'mit -Klappen 37 als Umleitmittel 30 versehen; die Klappen 37 weisen im vorliegenden 3PaIIe nach innen, können jedoch auch nach außen gerichtet sein; auch Kombinationen, wobei die Öffnungen 23 mit nach innen weisenden Klappen 37 und Öffnungen 24 mit nach außen weisenden Klappen 37 versehen sind oder auch umgekehrt, sind von Pail zu Pail bevorzugt geeignete Zur Erzielung eines besonders guten Durchmischungseffekts für die Abgase ist es zweckmäßig, wenn die Klappen 37 an den Öffnungen 23 in entgegengesetzter Richtung zu den Klappen 37 an den abgasrohrseitigen öffnungen 24 verlaufen« Schutzvorrichtungen 22 dieser Art können bei

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gewissen Anwendungsfällen auch dann vorteilhaft sein, wenn der Durchmesser- des Mantels 27 der Schutzeinrichtung 22 im Bereich der öffnungen 23 größer ist als im Bereich der öffnungen 24-,bzw. umgekehrt. Der abgasrohrseitige Endabschnitt des Mantels 27 ist vorzugsweise durch ein Bodenblech 38 verschlossen, kann jedoch auch offen sein bzw. ein Bodenblech 38 mit nicht dargestellten Löchern enthalten; entscheidend für die Wahl der bevorzugten Ausführung ist jeweils die am Motor vorliegende Abgasführung.

Die in den Fig. 1 bis 6 dargestellten und erläuterten öffnungen 2¹I an den freien Endabschnitten der Schutzeinrichtungen 22 sind mit den öffnungen 23 an den anschlußseitigen Endabschnitten der Schutzeinrichtungen 22 wahlweise zu kombinieren, je nachdem wie der Meßfühler in ein Abgasrohr einzubauen ist. Entscheidend ist jedoch, daß bei allen diesen erfindungsgemäßen Ausführungen, die unabhängig von der radialen Einbaulage im Abgasrohr sind, die Abgase mit den Parikeln nicht direkt auf das Pestelektrolytrohr 11 mit seiner Katalysatorschicht 12 gelangen, sondern es nur umspülen; öffnungen 23 bzw. 2k für den Ein- und Austritt der Gase befinden sich bei all diesen Ausfuhrungsformen nur an den beiden Endabschnitten der Schutzeinrichtung 22.

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Claims

Ansprüche

% Λ.] Elektrochemischer Meßfühler für die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Abgasen, insbesondere in Abgasen von Verbrennungsmotoren, mit einem ionenleitenden, einseitig mit einem Boden versehenen Festelektrolytrohr, dessen Innenseite eine bis in den Bereich des Bodens reichende elektronenleitende Bahn mit Anschlußteil besitzt und der Umgebungsluft ausgesetzt ist, und dessen Außenseite eine elektronen— leitende Katalysatorschicht aufweist, die über ein metallisches Meßfühler-Gehäuse elektrisch mit Masse in Verbindung steht und den Abgasen zugewendet ist, und dessen den Abgasen ausgesetzter Teil mit einer Schutzeinrichtung umgeben ist, die mit Abstand um das Festelektrolytrohr angeordnet ist,-das bodenseitige Ende des Festelektrolytrohres überragt und mindestens je eine Öffnung für den Ein- und Austritt von Abgasen enthält,wobei die vorhandenen öffnungen Umleitmittel haben, die zwar die Abgase zum Festelektrolytrohr leiten, jedoch das Festelektrolytrohr einem direkten Aufprall entziehen, dadurch gekennzeichnet, daß am freien und am anschlußseitigen Endabschnitt der Schutzeinrichtung (22) öffnungen (23 ₉ 24) mit Umleitmitteln (JO) für den Ein- bzw. Austritt von Abgasen angebracht sind»

2ο Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß· die Öffnungen (24) mit Umleitmitteln (30) am freien Endabschnitt der Schutzeinrichtung (22) in dem "Bereich angeordnet sind,

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der vor dein Festelektrolytrohr-Boden (10) liegt.

3i Meßfühler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Umleitmittel (30) ein kegelstumpfartiger "Vorsatz (26) ist, der am Mantel (27) der Schutzeinrichtung (22) befestigt ist5 dessen Basisfläche (28) senkrecht zur Längsachse des Festelektrolytrohres (11) steht und dem Festelektrolytrohr-Boden (10) abgewendet ist, und daß die Mantel-Öffnungen (24) auf die Vorsatz-Mantelfläche (29) gerichtet sind.

4. Heßfühler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Umleitmittel (30) ein am freien Ende aus dem Schutzeinrichtung-Mantel (27) ragender Blecheinsatz (31) von vorzugsweise kreuzförmigem Querschnitt ist und die am freien Ende befindlichen Öffnungen (24) des Schutzeinrichtungs-Mantels (27) der Abgasführung dienen.

5. Meßfühler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Umleitmittel (30) ein kegelartiger Vorsatz (34) ist, dessen Basisfläche (35) dem Festelektrolytrohr-Boden (10) zugewendet ist und kleiner im Durchmesser ist als der Innendurchmesser des Schutzeinrichtungs-Mantels (27), und daß der Vorsatz (34) durch mindestens ein Halteblech (36) am Mantel (27) befestigt ist.

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6. Meßfühler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Umleitmittel (30) Öffnungen (24)'mit Klappen (37) dienen, die im Schutzeinrichtungs-Mantel (27) angebracht sind und vorzugsweise nach innen weisen, und daß das freie Ende des Mantels (27) vorzugsweise durch ein Bbdenblech (38.) verschlossen, ist.

7» Meßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich mit Abstand hinter den anschlußseitigen Mantel-Öffnungen (-23) ein ringfömLges Prallblech (25) befindet,

8ο Meßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 6_S dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (23) am anschlußseitigen Endabschnitt der Schutzeinrichtung (22) als Umleitmittel (30)Klappen "(37) haben, die sieh im Mantel (27) befinden und vorzugsweise nach innen weisen. ;

9. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet _s daß die Schutzeinrichtungs-öffnungen (2¹O am freien Endabschnitt nach Ansprüchen 2 bis 6 mit öffnungen (23) am anschlußseitigen Endabschnitt nach Ansprüchen 7 oder 8 kombiniert sind.

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