DE2452924C3

DE2452924C3 - Elektrochemischer MeBfühler

Info

Publication number: DE2452924C3
Application number: DE2452924A
Authority: DE
Inventors: Richard Raymond Burgett; Bruce William Holleboom
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 1973-11-21
Filing date: 1974-11-07
Publication date: 1979-05-10
Also published as: JPS5331795B2; CA1004731A; FR2251821A1; JPS50106691A; IT1023229B; DE2452924A1; DE2452924B2; US3844920A; FR2251821B1

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrochemischen Meßfühler für die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in

ίο Abgasen, mit einem als einseitig geschlossener, länglicher Hohlkörper ausgebildeten, sowohl auf seiner Innenseite als auch auf seiner Außenseite jeweils eine Platinelektrode tragenden Festelektrolytelement, das an seinem offenen, oberen Ende einen radialen Bund aufweist, mit einer das Festelektrolytelement halternden Metallhülse, aus derem unteren, offenen Ende das geschlossene Ende des mit der unteren Bundschulter an einer Innenschulter der Metallhülse abgestützten Festelektrolytelementes herausragt, mit einem den Innenraum des Festelektrolytelementes mit Atmosphäre verbindenden, als elektrischer Anschluß für die Innenelektrode dienenden Kontaktkörper und mit zwei den Innenraum des Festelektrolytelementes gegen die Abgase abdichtenden, elektrisch leitfähigen Dichtungen, von denen die eine unter Kontaktierung der Außenelektrode zwischen dem Festelektrolytelement und der Metallhülse und die andere unter Kontaktierung der Innenelektrode zwischen dem Festelektrolytelement und dem Kontaktkörper angeordnet ist

Derartige als Festelektrolytelement ein Zirkoniumoxid-Element umfassende Meßfühler Finden insbesondere für die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in den Auspuffgasen von Kraftfahrzeugen Verwendung. Dabei strömt Luft in das Innere des Zirkoniumoxid-Elementes, und wenn das Zirkoniumoxid-Element durch die Wärme der an seiner Außenseite entlang strömenden Auspuffgase aktiviert ist gelangen Sauerstoffionen aus der Atmosphäre durch das Element hindurch zur äußeren Elektrode. Dadurch entsteht eine elektrochemische

Zelle, die eine Potentialdifferenz zwischen den beiden Elektroden erzeugt Die Ausgangsspnnnung der Zelle ist

ein Maß fOr den Partialdruck des Sauerstoffs an der den

Abgasen ausgesetzten Oberfläche. Beim Gebrauch in einem Kraftfahrzeug wächst die

Vi Konzentration von Sauerstoff im Auspuffgas an, wenn das Verhältnis von Luft und Treibstoff magerer wird, und das Verhältnis der Partialdrücke an der Innen- und Außenseite der Zelle geht gegen Eins, wodurch die Ausgangsspannung auf nahezu Null zurückgeht Wird das Verhältnis von Luft und Treibstoff reicher, so sind im Auspuffgas oxydierbare Gase wie Kohlenmonoxid und Wasserstoff vorhanden. In diesem Fall kann der Meßfühler als eine elektrochemische Brennstoffzelle betrachtet werden, in der diese Gase als Brennstoffquel-Ie dienen. An der Abgasseite des Meßfühlers fördert die Platinelektrode katalytisch eine chemische Oxidationsreaktion, die ihrerseits die Konzentration von Sauerstoff an dieser Oberfläche vermindert Dadurch ergibt sich eine niedrige Konzentration von Sauerstoff an der Oberfläche und die Meßfühlerspannung steigt an und erzeugt so ein Urspannungssignal, das logarithmischproportional zu den relativen Konzentrationen von brennbaren Gasen im Auspuff ist Dieses Signal wird in Verbindung mit anderen Komponenten benutzt, um die

b) gewünschte Luft- Treibstoff-Mischung im Motor einzustellen und aufrechtzuerhalten.

Für die Funktionstüchtigkeit derartiger elektrochemischer Meßfühler ist es dabei von besonderer Bedeutung,

daß der Innenraum des Festelektrolytelementes in absolut dichter Weise gegen die zu untersuchenden Auspuffgase abgedichtet ist, weil es sonst zu einer Verfälschung des abgegebenen Spanaungssignals kommt Diesem Zweck dienen insbesondere die beiden s elektrisch leitfähigen Dichtungen, die bei einem bekannten elektrochemischen Meßfühler (DE-OS 2211585) von einer elektrisch leitfähigen, aus einem Schmelzfluß bestehenden Dichtungsmasse gebildet sind, die nicht nur für einen gasdichten Abschluß und eine u< elektrische Kontaktierung sorgt sondern auch die 4 einzelnen Bauelemente des Meßfühlers untereinander mechanisch befestigt und verbindet Der Zusammenbau eines derartigen Meßfühlers erfolgt auf die Weise, daß zunächst das Festelektrolytelement in die Metallhülse >^r> und der Kontaktkörper in eine Ausnehmung des Festelektrolytelementes eingesetzt werden. Hierauf werden in die zwischen diesen Bauteilen verbleibenden Ringspalte aus einem Glas-Kupfer-Grat jlat vorgepreßte Ringe eingelegt, über denen als Druckstempel 2<> dienende Metallringe angeordnet werden. Der so vormontierte Meßfühler wird in einer entsprechenden Halterung angeordnet und in einem Ofen auf ca. 820° C erhitzt Unmittelbar nach dem Entnehmen aus dem Ofen werden in heißem Zustand die beiden Metallringe ;■> in das erweichte Granulat eingepreßt das auf diese Weise verdichtet und in sämtliche Hohlräume gedrückt wird, so daß die beiden Ringspalte einwandfrei mit dem elektrisch leitenden Schmelzfluß ausgefüllt sind. Nach dem Einpressen wird der Druck so lange aufrechterhal- jo ten, bis die Glasschmelze unter ihre Transformationstemperatur von etwa 500° C abgekühlt ist

Ein derartig aufgebauter und hergestellter Meßfühler weist eine ganze Reihe von Nachteilen auf. So erfordert das eben beschriebene Herstellungsverfahren einen außerordentlich hohen zeitlichen und apparativen Aufwand, so daß es für eine kostengünstige Massenfertigung solcher Meßfühler kaum geeignet ist Weiterhin ergeben sich Probleme aus der Tatsache, daß bei diesem Herstellungsverfahren Körper aus gänzlich verschiede- ->o nen Materiallien miteinander durch Verpressen und Verschmelzen verbunden werden. Das hat wegen der unterschiedlichen Temperatur-Ausdehnungskoefizienten dieser Materialien zur Folge, daß es beispielsweise bei der Verwendung dieser Meßfühler in einem ■'", Kraftfahrzeug, bei der der Meßfühler Temperaturunterschiede von bis zu 400⁰C ausgesetzt wird, zum Aufbau starker innerer mechanischer Spannungen in dem Meßfühler kommt die zu vorzeitigen Ermüdungserscheinungen und zur Ausbildung von die Dichtigkeit ^r>o der Anordnung in Frage stellenden Haarrissen führen können.

Bei einem weiteren bekannten, ähnlich aufgebauten Meßfühler (DE-OS 21 15 619) sind zur vollständigen Abdichtung der Innenelektrode die einzelnen Bauele- « mente des Meßfühlers, d. h. die äußere Metallhülse, der diese Metallhülse ausfüllende Isolierkörper aus Keramik- oder Porzellanmasse sowie der in diesem Isolierkörper gehalterte Festelektrolyt samt seiner Mittelelektrode durch Schmelzverbindungen fest mit- w> einander verbunden. Dabei ergeben sich dieselben herstellungstechnischen Schwierigkeiten und Lebensdauer-Probleme, wie sie oben geschildert wurden.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Meßfühler der eingangs beschriebenen b~> Art so weiterzubilden, daß er auf einfache und kostengünstige Weise so zusammengebaut werden kann, daß der Innenraum des Festelektrolyt-Elements gegen die zu untersuchenden Auspuffgase auch bei sehr langer Betriebsdauer absolut dicht abgeschlossen ist

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß die beiden Dichtungen Metall-Dichtungsringe sind, daß ein aus erster Dichtung, Festelektrolytelement, zweiter Dichtung und Kontaktkörper in der Metallhülse gebildeter Bauelementestapel durch eine am oberen Ende der Metallhülse vorgesehene Klemmvorrichtung gehaltert ist und daß zwischen die Klemmvorrichtung und den Bauelementestapel eine isolierende Glimmerscheibe eingefügt ist

Durch diese Anordnung ist es möglich, einen erfindungsgemäßen elektrochemischen Meßfühler auf sehr einfache und wirtschaftliche Weise herzustellen. Hierzu werden die einzelnen Bauelemente einfach in der oben angegebenen Reihenfolge in die Metallhülse eingelegt und nach Zwischenfügen des Glimmerrings mit Hilfe der Klemmvorrichtung unter Herstellung guter elektrischer Kontakte und eines völlig gasdichten Abschlusses des Innenraums des Festelektrolytelements gegenüber seinem mit den Abgasen in Berührung stehenden Außenraum aufeinander gepreßt Irgendwelche Vormontage- oder Ausheiz- und Abkühlprozesse sind hierbei nicht erforderlich. Durch das Einfügen des Glimmerrings, dessen Temperaturausdehnungskoeffizient etwa fünfmal größer als der des Festelektrolytelementes ist, wird die im Vergleich zum Festelektrolytelement ebenfalls wesentlich größere Temperaturausdehiiung der Metallhülse vollständig kompensiert Der gasdichte Abschluß und die gute elektrische Kontaktierung bleiben daher über den gesamten interessierenden Temperaturbereich hinweg erhalten, ohne daß es zu temperaturbedingten wechselnden Scherspannungen an den Grenzflächen der Bauelemente oder in den Bauelementen selbst kommt Es wird also auf die einzelnen Bauelemente lediglich ein sich nur wenig ändernder Kompressionsdruck ausgeübt, wodurch die Gefahr der Bildung von Haarrißen stark reduziert und vorzeitige Ermüdungserscheinungen des Materials vermieden werden.

Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung ist darin zu sehen, daß bei entsprechender Ausformung der Klemmvorrichtung der Meßfühler jederzeit ohne größeren Aufwand und zerstörungsfrei auseinandergenommen und wieder zusammengebaut werden kann. Hierdurch wird es möglich, auf einfache und kostengünstige Weise eventuell defekt gwordene Einzelelemente auszutauschen.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen elektrochemischen Meßfühlers ist darin zu sehen, daß er ein Festkörperelektrolyt-Element aufweist, das eine außerordentlich kurze Baulänge aufweist, wodurch er äußerst kostengünstig hergestellt werden kann.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen elektrochemischen Meßfühlers sind in den Unteransprüchen niedergelegt.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser

F i g. 1 eine Seitenansicht eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungegemäßen Meßfühlers, in der ein auf einem Auspuffrohr befestigter Meßfühler im Teilschnitt dargestellt ist,

Fig.2 eine Ansicht in Richtung der Linie 2-2 aus Fig. 1, wobei die Form der öffnungen in der Schutzvorrichtung dargestellt ist,

F i g. 3 die Seitenansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels, wobei der Meßfühler ebenfalls im Teilschnitt dargestellt ist, und

F i g. 4 einen Schnitt längs der Linie 4-4 in F i g. 3, der die Form der öffnungen in einem zweiten Ausführungsbeispiel der Schutzvorrichtung zeigt

Gemäß Fig. 1 weist der Meßfahler 10 eine hohle äußere Metallhülse 12 auf, deren Innenraum im oberen Teil einen größeren Durchmesser als im unteren Teil hat, wodurch in der Hülse eine Schulter 14 gebildet ist Diese Schulter 14 liegt im wesentlichen etwa in der Mitte zwischen den Enden der Metallhülse 12. Mit dem Gewinde 16 wird der Meßfühler 10 am Abgas- bzw. Auspuffrohr 18 montiert

Ein das Festelektrotytelement bildendes Zirkoniumoxid-Element 20 ist auf der Schulter 14 gelagert und wird von dieser getragen. Das Element 20 ist hohl und besitzt einen dünnen Wandaufbau 24, der sich vom dünnsten Abschnitt des Elementes aus verjüngt, das an seinem geschlossenen Ende 22 mit kleinem Durchmesser und im wesentlichen knolliger Gestalt beginnt, und in einem dickeren Abschnitt am entgegengesetzten Ende endet, das einen radialen Bund 26 mit vergrößertem Durchmesser aufweist, der eine obere Bundschulter 29 und eine untere Bundschulter 27 aufweist, so daß das Festelektrolytelement 20 eine im wesentlichen konische Gestalt besitzt. Die untere Bundschulter 27 liegt auf einem ersten Metall-Dichtungsring 28 auf, der sich an der Innenschulter 14 der Metallhülse 12 abstützt Das Festelektrolytelement 20 besitzt auf der inneren Oberfläche eine Platin-Beschichtung 30 und auf der äußeren Oberfläche eine Platin-Beschichtung 32, wobei die Beschichtungen sich jeweils nur bis zu den Enden der oberen bzw. unteren Bundschulter 29,27 erstrecken. Die radiale Außenfläche 34 des Bundes 26 zwischen den Schultern 27 und 29 ist nicht platinbeschichtet und trennt somit die beiden platinbeschichteten Flächen, so daß eine Innenelektrode 33 und eine Außenelektrode 35 an dem Festelektrolytelement gebildet sind, die nicht in direktem elektrischen Kontakt miteinander stehen. Die Außenelektrode 35, der Metall-Dichtungsring 28 und die geerdete äußere Metallhülse 12 bilden eine elektrische Kontaktanordnung.

Ein Kontaktkörper 37 wird innerhalb der Metallhülse 12 durch den umgebördelten bzw. umgebogenen oberen Rand 36 der Metallhülse 12 und einen keramischen Isolator 40 gehalten, wobei diese Teile eine Klemmvorrichtung bilden. Zwischen dem umgebördelten Rand 36 und dem Isolator 40 ist eine Beilagscheibe bzw. Dichtung 38 angeordnet Der Kontaktkörper 37 ist auf einem zweiten Metall-Dichtungsring 42 angeordnet, der auf der oberen Bundschulter 29 so aufliegt daß er die Innenelektrode 33 des Festelektrolytelementes 20 kontaktiert und somit eine zweite elektrische Kontaktvorrichtung über das Anschlußstück 44 ergibt Die Kontaktvorrichtungen sind voneinander durch den keramischen Isolator 40 und den freien Raum 46 zwischen dem Kontaktkörper 37 und der Metallhülse 12 längs des Umfangs getrennt Im Kontaktkörper 37 ist eine sich durch ihn hindurch erstreckende Zentralbohrung 45 vorgesehen, die einen Durchtrittskanal für das Eindringen von Luft in das hohle Festelektrolytelement 20 bildet

Zwischen dem Boden des keramischen Isolators 40

und einer am Kontaktkörper 37 angeformten Schulter 49 ist eine isolierende Glimmerscheibe 47 vorgesehen. Glimmer hat einen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der 5—10 mal größer ist als der des Festelektrolytelementes 20, somit gleicht die Glimmerscheibe 47 die im Vergleich mit den Metallteilen geringe Wärmeausdehnung des Festelektrolytelementes 20 aus und stellt eine zufriedenstellende mechanische, gasdichte Abdichtung des Innenraums des Festelektrolytelementes 20 gegen

in die Abgase sicher.

Wie man am besten der F i g. 1 entnimmt, ist ein Schutzschild 48 auf geeignete Weise an der Metallhülse 12 befestigt und weist eine Vielzahl von ausgestanzten, schaufeiförmigen öffnungen 50 auf, die so im Abgasstrom liegen, daß die Abgase nur auf indirektem Weg an das Festelektrolytelement 20 gelangen können; somit ist sichergestellt, daß die äußere Platinbeschichtung nicht zerfressen wird. Die Flächen 52, die an die ausgestanzten öffnungen angrenzen und in diese hineinführen, sind

konkav, um die Auspuffgase in die öffnungen auf einem tangentialen oder kreisförmigen Strömungspfad hineinzulenken.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel 60, das in vieler Hinsicht dem in F i g. 1 gezeigten ähnlich ist, ist in F i g. 3 dargestellt Es weist eine hohle äußere Metallhalse 62 auf, die ebenfalls ein Gewinde 64 besitzt, damit der Meßfühler an einem Auspuffrohr 66 montiert werden kann. Die äußere Metallhülse 62 besitzt eine Innenschulter 68, an der das Festelektrolytelement 20 abgestützt ist Wie bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 ist ein Metall-Dichtungsring 70 innerhalb der geerdeten äußeren Metallhülse 62 zwischen die Innenschulter 68 und die untere Bundschulter 27 des Festelektrolytelementes 20 eingefügt so daß eine erste elektrische

Kontaktanordnung gebildet wird.

Ein Kontaktkörper 72, der eine Lufteinlaßöffnung 77 aufweist ist in die äußere Metallhülse 62 eingefügt und ruht auf einem zweiten Metall-Dichtungsring 74 und der oberen Bundschulter 29 des Festelektrolytelements 20.

Auf diese Weise wird eine zweite Kontaktanordnung zusammen mit dem Anschlußstück 73 gebildet Der Kontaktkörper 72 und das Festelektrolytelement 20 sind in die äußere Metallhülse 62 mittels einer Einschraubbüchse 75 oder durch eine ähnliche Vorrichtung eingeklemmt die eine leichte Austauschbarkeit des Festelektrolytelementes 20 erlaubt Auf einer am Kontaktkörper 72 vorgesehenen Schulter ist eine isolierende Glimmerscheibe 76 angeordnet, die dieselbe Funktion wie die isolierende Glimmerscheibe 47 ausübt

so Als Alternative zu der in F i g. 1 gezeigten Schutzvorrichtung ist an der äußeren Metallhülse 62 eine Schutzvorrichtung 78 befestigt und in dergleichen Weise wie bei dem in F i g. 1 gezeigten Ausfuhrungsbeispiel im Abgasstrom angeordnet Diese Schutzvorrichtung 78

besitzt im wesentlichen gleichgeformte öffnungen 50 und konkave Teile 52, die in die öffnungen 50 führen. Die Schutzvorrichtung 78 ist aus zwei Teilen aufgebaut; ein Bodenabschnitt 80 ist in einen kreisförmigen Körperabschnitt 82 eingefügt und durch Schweißen

oder Umbördeln der Kante daran befestigt

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrochemischer Meßfühler für die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Abgasen, mit einem als einseitig geschlossener, länglicher Hohlkörper ausgebildeten sowohl auf seiner Innenseite als auf seiner Außenseite jeweils eine Platinelektrode tragenden Festelektrolytelement, das an seinem offenen, oberen Ende einen radialen Bund aufweist, mit einer das Festelektrolytelement halternden Metallhülse, aus derem unteren, offenen Ende das geschlossene Ende des mit einer unteren Bundschulter an einer Innenschulter der Metallhülse abgestützten Festelektrolytelements herausragt, mit einem den Innenraum des Festelektrolytelements mit der Atmosphäre verbindenden, als elektrischer Anschluß für die Innenelektrode dienenden Kontaktkörper und mit zwei den Innenraum des Festelektrolytelements gegen die Abgase abdichtenden, elektrisch leitfähigen Dichtungen, von denen die eine unter Kontaktierung der Außenelektrode zwischen dem Festelektrolytelement und der Metallhülse und die andere unter Kontaktierung der Innenelektrode zwischen dem Festelektrolytelement und dem Kontaktkörper angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Dichtungen (28, 42; 70, 74) Metall-Dichtungsringe sind, daß ein aus erster Dichtung (28; 70), Festelektrolytelement (20), zweiter Dichtung (42; 74) und Kontaktkörper (37; 72) in der Metallhülse (12; 62) gebildeter Bauelementestapel durch eine am oberen Ende der Metallhülse (12; 62) vorgesehene Klemmvorrichtung (36,38,40; 75) gehaltert ist und daß zwischen die Klemmvorrichtung (36,38,40; 75) und den Bauelementestapel eine isolierende Glimmerscheibe (47; 76) eingefügt ist

2. Elektrochemischer Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Innenelektrode (33) des Festelektrolytelementes (20) bis auf die obere Bundschulter (29) erstreckt.

3. Elektrochemischer Meßfühler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite, die Innenelektrode (33) des Festelektrolytelementes (20) kontaktierende Metall-Dichtungsring (42; 74) auf der oberen Bundschulter (29) aufliegt und den Kontaktkörper (37; 72) abstützt.

4. Elektrochemischer Meßfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktkörper (37; 72) an seinem unteren, auf dem zweiten Metall-Dichtungsring (42; 74) aufsitzenden Ende einen radialen Bund mit einer oberen Bundschulter (49) aufweist, an die durch die Klemmvorrichtung (36, 38, 40; 75) die Glimmerscheibe (47; 76) angedrückt ist.

5. Elektrochemischer Meßfühler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Klemmvorrichtung (36,38,40; 75) ein Abstandsstück (40; 75 umfaßt, das einerseits mit der Metallhülse (12; 62) in Eingriff steht und andererseits die Glimmerscheibe (47; 76) gegen die obere Bundschulter des Kontaktkörpers (37; 72) preßt.

6. Elektrochemischer Meßfühler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Abstandsstück ein Isolator (40) ist, der an dem umgebördelten oberen Rand (36) der Metallhülse (12) anliegt.

7. Elektrochemischer Meßfühler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Abstandsstück eine einen mutterförmigen, oberen Ansatz aufweisende, in ein am oberen Ende der Metallhülse (62) vorgesehenes Innengewinde einschraubbare Einschraubbüchse (75) ist