DE2504206C3 - Elektrochemischer Meßfühler für die Bestimmung des Sauerstoffgehalts in Abgasen, insbesondere in Abgasen von Verbrennungsmotoren - Google Patents
Elektrochemischer Meßfühler für die Bestimmung des Sauerstoffgehalts in Abgasen, insbesondere in Abgasen von VerbrennungsmotorenInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrochemisehen
Meßfühler für die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Abgasen, insbesondere in Abgasen von
Verbrennungsmotoren, mittels einer Sauerstoffkonzentrationskette mit ionenleitendem Festelektrolyten, wobei
der Festelektrolyt die Form eines einseitig geschlossenen Rohres hat, das von einem koaxial dazu
angeordnetem Gehäuse teilweise umgeben ist, auf seiner äußeren, den Abgasen zugewendeten Oberfläche
zumindest teilweise eine elektronenleitende, mit einem ersten elektrischen Anschlußteil direkt oder indirekt in
elektrischer Verbindung stehende poröse Schicht trägt und an seiner inneren, der Umgebungsluft ausgesetzten
Oberfläche eine bis an den Rohrboden reichende elektronenleitende Sahn aufweist, die direkt oder
indirekt mit einem zweiten elektrischen Anschlußteil elektrisch verbunden ist.
Verbrennungsmotoren, insbesondere Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren,
enthalten in ihrem Abgas unter anderem Kohlenmonoxid, Stickoxide sowie unverbrannte
oder teilverbrannte Kohlenwasserstoffe, die zur Luftverunreinigung beitragen. Um die durch diese
Stoffe hervorgerufene Luftverunreinigung auf einen Minimalwert herabzudrücken, ist es erforderlich, die
Abgase dieser Verbrennungsmotoren möglichst weitgehend von diesen Stoffen zu befreien. Das bedeutet, daß
Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe möglichst vollständig in ihre höchste Oxidationsstufe, d.h. in
Kohlendioxid und — im Falle de·· Kohlenwasserstoffe
— Wasser, bzw. die Stickoxide in elementaren Stickstoff übergeführt werden müssen.
Eine solche Überführung der schädlichen Anteile des Abgases in die ui schädlichen Verbindungen Kohlendioxid.
Stickstoff und Wasser kann z. B. dadurch geschehen, daß man Abgase bei Temperaturen oberhalb
600°C über Katalysatoren leitet und auf diese Art einer Nachverbrennung unterwirft. Voraussetzung für den
Erfolg ist jedoch, daß das Abgas in seiner Zusammensetzung so eingestellt wird, daß das Verhältnis von Luft zu
Brennstoff nahezu stöchiometrisch ist und somit eine praktisch vollständige Umsetzung zu den unschädlichen
Verbindungen ermöglicht; dieses stöchiometrische \ erhältnis von Luft und Brennstoff wird bekanntlich mit
einem λ-Wert von I gekennzeichnet. Ein λ-Wert von gleich oder kleiner 1 besagt, daß kein über die
Gleichgewichtsmenge der verschiedenen möglichen Reaktionen hinausgehender »überschüssiger« Sauer
stoff vorhanden ist, während bei einem A-Wert größer I
»überschüssiger« Sauerstoff in dem Gemisch vorliegt) bei einem λ-Wert gleich 1 geht also das Abgas Vom
reduzierenden in den oxidierenden Zustand über oder umgekehrt.
Zur Erzielung eines akzeptablen Abgases und eines optimalen Kraftstoffverbrauches ist das Einhalten eine
A'Wertes von etwa 1 erforderlich; aus diesem Grunde
wird in den Weg des Abgases ein elektrochemischer Meßfühler eingebaut, der z. B. den Sauerstoffgehalt im
Abgas mißt und über eine Regeleinrichtung die richtige Einstellung des Brennstoff-Luft-Gemisches und damit
weitgehend auch der Abgaszusammensetzung bewirkt.
Derartige bekannte elektrochemische Meßfühler arbeiten nach dem Prinzip der Sauerstoffkonzentrationskette
mit ionenleitendem Festelektrolyten; solche Meßfühler, die fest in die Wand des Abgasauslasses
eingebaut sind, stehen mit der Außenluft als Bezugssystem für die Konzentrationskette in Verbindung und
haben einen Festelektrolyten, der beidseitig zumindest teilweise mit einer elektronenleitenden Schicht wie z. B.
Platin bedeckt ist. Der Fesielektrolyt hat zumeist die
Form eines einseitig geschlossenen Rohrs, wobei sein geschlossenes Ende in das Innere des Abgasrohres
hineinragt; sowohl die auf der äußeren Oberfläche als auch die auf der inneren Oberfläche des Elektrolyt-Rohres
befindliche elektronenleitende Schicht oder Leiterbahn hat jeweils einen Kontaktbereich, mit dem sie an
ein elektrisch leitfähiges Anschlußteil angeschlossen ist. Eines dieser Anschlußteile wird üblicherweise von
einem metallischen Gehäuse gebildet, mit lern der Meßfühler in das Abgarrohr des Verbrennungsmotors
dicht und fest eingebaut ist und somit seinen elektrischen Verbraucher im Kraftfahrzeug die elektrische
Rückleitung darstellt. Aufgrund der verschiedenen elektrischen Verbraucher im Kraftfahrzeug ist diese
elektrische Rückleitung praktisch niemals vollständig potentialfrei und kann demzufolge eine Veränderung
des tatsächlichen Spannungssignals am elektrochemischen
Meßfühler bewirken und damit zu Störungen in der Regelschaltung für die richtige Einstellung des
Brennstoff-Luft-Gemisches und damit weitgehend auch der Abgaszusammensetzung bewirken.
Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, einen elektrochemischen Meßfühler zu
schaffen, der das Kraftfahrzeug selbst nicht als elektrische Rückleitung benutzt, sondern für den
Anschluß an eine separate Rückleitung eingerichtet ist, dabei von ro1 ustem Aufbau ist und seine Funktion über
eine angemessene Lebensdauer zuverlässig erfüllt.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß das Festelektrolyt-Rohr an seiner Außenseite
eine Schulter hat, mit der es auf einem im Gehäuse befindlichen, elektrisch isolierendem ersten Stützring
liegt, daß sich diesem Stützring ansLhlußseits eine mit der elektronenleitenden Schicht auf dem Festelektrolyt-Rohr
in Berührung stehende elektrisch leitfähige Dichtungsmasse anschließt, die koaxial von einer
elektrisch isolierenden Dichtung umgeben ist, welche die Dichtungsmasse gegenüber dem Gehäuse elektrisch
isoliert, und daß auf dieser Dichtungsmasse bzw. Dichtung anschlußseits ein im Gehäuse befindlicher
zweiter Stützring liegt, durch dessen Bohrung der anschlußseitige Enaabschnitt des Festelektrolyt-Rohres
und eine elektrisch leitfähige Hülse führt, die den von Festelektrolyt-Rohr und Stützring-Bohrung gebildeten
Spalt ausfüllt, einerseits mit der Dichtungsmasse in elektrischem Kontakt steht und anschlußseits direkt
oder indirekt mit dem ersten elektrischen Anschlußteil verbunden ist. Mit dieser erfindungsgemäßen Anordnung
ist der elektrische Kontakt zwischen der elektronenleitenden Schicht auf der äußeren Oberfläche
des Festelektfölyl-Röhfs und dem Gehäuse des
Meßfühlers unterbrochen.
Bei einer bevorzugten Aüsführungsform des erfindüngsgemäßen
elektrochemischen Meßfühlers sind der erste Stützring, die Dichtungsmassen, der zweite
Stülzring und damit auch das Festelektrolyt-Rohr und die Hülse innerhalb des Gehäuses einerseits mittels
eines Gehäuse-Absatzes und andererseits mittels eines Bördelrandes festgehalten.
Als elektrisch leitfähige Dichtungsmasse wird bevorzugt ein elastisch bleibendes Material wie z. B. Graphit
verwendet und der Dichtring wird in diesem Falle aus einem elektrisch isolierendem Pulver wie z. B. Talkum
ίο gewählt; als Material für den ersten Stützring und/oder
den zweiten Stützring eignet sich bevorzugt Keramik.
Zur Verlängerung des Kriechweges zwischen der elektronenleitenden Schicht auf der äußeren Oberfläche
des Festelektrolyt-Rohres und dem an Masse liegenden
ι? Schutzrohr bzw. Gehäuse ist es zweckmäßig, wenn der
untere Endabschnitt des ersten Stützringes als Rohrstutzen ausgebildet ist, der das Festelektrolyt-Rohr mit
Abstand umgibt und vorzugsweise such vom Schutzrohr Abstand hält.
In Ausgestaltung der Erfindung und zur Bildung eines
zweckmäßigen Anschlußteils liegt ai-f dem anschlußseitigen
Endabschnitt der Hülse die einr- Stirnfläche einer elektrisch leitfähigen Druckfeder, während die andere
Stirnfläche dieser Druckfeder mit dem ersten elektrisehen Anschlußteil in elektrischem Kontakt steht; das
erste und das zweite elektrische Anschlußteil sind vorzugsweise in einem beiden gemeinsamem Isolierteil
festgelegt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der
JO Zeichnung dargestellt und wird im folgenden beschrieben
und näher erläutert; die Figur zeigt einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen elektrochemischen
Meßfühler in vergrößertem Maßstab.
Der in der Figur dargestellte elektrochemische Meßfühler 10 enthält ein ionenleitendes Festelektrolyt-Rohr 11, das aus stabilisiertem kubischem Zirkondioxid besteht, an seinem in ein nicht dargestelltes Abgasrohr ragenden Ende von einem Boden 12 verschlossen ist und an seiner Außenseite eine Schulter 13 aufweist. Dieses
Der in der Figur dargestellte elektrochemische Meßfühler 10 enthält ein ionenleitendes Festelektrolyt-Rohr 11, das aus stabilisiertem kubischem Zirkondioxid besteht, an seinem in ein nicht dargestelltes Abgasrohr ragenden Ende von einem Boden 12 verschlossen ist und an seiner Außenseite eine Schulter 13 aufweist. Dieses
■to Festelektrolyt-Rohr 11 trägt auf seiner äußeren
Oberfläche eine elektronenleitende poröse Schicht 14 auf Platin, die den von Abgasen umspülten Bereich, die
Schulter 13 und einen Kontaktbereich 15 des Festelektrolyt-Rohrs 11 bedeckt; zwischen der elektronenleitenden
Schicht 14 und dem Festelektrolyt-Rohi 11 ist im
Bereich der Schulter 13 und des Kon.aktbereichs 15 eine nicht dargestellte, elektrisch isolierende Glasur
angeordnet, die eine Verringerung des Spannungssignals des Meßfühlers 10 unterdrückt. Auch ist in der
Figur eine poröse Magnesiumspinell-Schicht nicht dargestellt, die auf der den Abgasen ausgesetzten,
elektronenleitenden Schicht 14 aufgebracht ist und als Schutz gegen mechanische und thermische Angriffe des
Abgases dient.
Das Festelektrolyt-Rohr 11 ist auf seiner dem Innenraum 16 zugewendeten Oberfläche mit einer
elektronenleitenden Bahn 17 versehen, die bis in den Bereich des Bodens 12 hineinreicht und auch aus Platin
besteht; diese Leiterbahn 17 erstreckt sich anschlußseits bis auf die Stirnfläche 18 des Festelektrolyt-Rohres 11.
Das Festelektrolyt-Rohr 11 steckt in der Bohrung 19 eines ersten Stützringes 20 und liegt dabei mit seiner
Schulter 13 auf einem Absatz 21 in der S'ütfcring-Bolv
rung 19 auf; um die Gefahr eines Bruchs des Festelektrolyt-Rohrs 11 bzw. des ersten Stützrings 20 zu
verringern, wird zwischen beiden eine nicht dargestellte Auflagescheibe aus warmfestem Stahl angeordnet.
Dieser erste Stützring 20 ist ein elektrischer Isolator,
besieht aus Keramik (AI2Oj) und liegt indirekt auf einem
Absatz 22 in der Längsführung 23 des Meßfühler-Gehäuses
24 auf; an seinem unteren Ende ist dieser erste Slülzring 20 als Röhrstutzen 20' ausgebildet, der das
Festelektrolyt-Rohr 11 mit Abstand umgibt, relativ dünnwandig ist und als sich bei Betrieb selbstreinigende
Kriechstrombarriere dient. Das Gehäuse 24 besteht aus Stahl, hat an Seiner Außenseite ein Schlüsselsechskant
25 und ein Einschraubgewinde 26 für den dichten und festen Einbau in ein nicht dargestelltes Abgasrohr.
Zwischen dem ersten Stützring 20 und dem Gehäuse-Absatz 22 befindet sich noch der Flansch 27 eines
Schutzrohres 28, das den dem Abgas ausgesetzten Teil des Festelektrolyl-Rohres 11 umgibt und mit Öffnungen
29 für den Zutritt der Abgase versehen ist; der Rohrstutzen 20' des ersten Stützringes 20 verläuft auch
zu dem Schutzrohr 28 mit Abstand und verlängert dadurch die erwähnte Kriechstrombarriere zwischen
der elektronenleitenden Schicht 14 auf dem Festelektro-Iyt-Rohr 11 und dem über das Gehäuse 24 an Masse
liegendem Schutzrohr 28.
Anschlußseils folgt dem ersten Stützring 20 in der Gehäuse-Bohrung 23 eine elektrisch leilfähige Dichlungsmasse
30 aus Graphitpulver, die im Kontaktbereich 15 in elektronenleitende Schicht 14 umgibt und
koaxial von einer elektrisch isolierenden Dichtung 31 umgeben ist; die Dichtung 31 besteht aus Talkumpulver.
Der Dichtungsmasse 30 und der Dichtung 31 folgt iinschlußseits ein elektrisch isolierender zweiter Stützring
32, der auch aus Keramik (AI2O3) besteht, und
ebenfalls in der Gehäuse-Bohrung 23 geführt ist. Dieser zweite Stützring 32 hat eine zentrale Bohrung 33, in der
eine elektrisch leitfähige Hülse 34 anliegt; diese Hülse
34 ist an ihren beiden Endabschnitten jeweils als Flansch
35 bzw. 36 ausgebildet. Der Flansch 35 dieser Hülse 34 ragt in die Dichtungsmasse 30 hinein und steht
demzufolge damit in elektrischem Kontakt und der Flansch 36 ist als Führungsschale für eine Druckfeder 37
ausgebildet; durch die Bohrung 38 der Hülse 34 führt abgestützt der anschlußseitige Endabschnitt des FestelektroIyt-Rohres
11.
Auf einer anschlußseits gerichteten Schulter 39 des zweiten Stutzringes 52 iiegr der Flansch 40 einer
Schutzhülse 41 auf. die aus Blech besteht, einige Lufteintrittsöffnungen 42 enthält und an ihrem ansehlußseitigen
Endabsehnilt ein eingebördeltes, stopfen· förmiges Isolierteil 43 trägt. Auf dem Schutzhülsen-Flansch
40, der nach außen gerichtet ist, liegt ein Bördelring 44, auf den der anschlußseits am Gehäuse 24
befindliche Bördelrand 45 drückt und damit die gesamten genannten Teile fest fixiert hält.
Die mit ihrem einen Endabschmtt im Hülsen-Flansch 36 fixierte Druckfeder 37 besteht aus elektrisch
leitfähigem Material und ist an ihrem ansehlußseitigem
ίο Endabschnitt in einer Einsenkung 46 des Isolierteils 43
seitlich fixiert und in Längsrichtung unter Vorspannung gehalten; dabei liegt die Druckfeder 37 an einem im
Isolierteil 43 festgelegten elektrisch leitfähigeni Schenkel 47 an, dessen freier Endabschnitt durch das
1$ Isoüerteil 43 hindurchführt und als erstes AnschluDteil
48 dient.
Auf der Stirnfläche 18 des Festelektrolyt-Rohres 11
liegt ein Kontaktring 49, der einerseits mit der Leiterbahn 17 in elektrischem Kontakt steht und
andererseits als Führung für eine Kontaktfeder 50 dient; diese Kontaktfeder 50 steht unter Vorspannung und ist
mit ihrem anderen Endabschnitl auf einen Zapfen 51 eines zweiten Anschlußteiles 52 gesteckt, das ebenfalls
durch das Isolierteil 43 führt und darin festgelegt ist. Die Kontaktfeder 50 verläuft derart koaxial innerhalb der
Druckfeder 37, daß sie sich nicht gegenseitig berühren und demzufolge elektrisch voneinander gelrennt sind.
Bei dieser erfindungsgemäßen Gestaltung des Meßfühlers Ii) steht die Leiterbahn 17 auf der dem
jo innenraum 16 des Festelektrolyt-Rohres 11 zugewendeten
Oberfläche über den Kontaktring 49 und die Kontaktfeder 50 mit dem zweiten Anschlußteil in
Verbindung und die elektronenleitende Schicht 14 auf der äußeren Oberfläche des Festelektrolyt-Rohres 11
hat keinen Kontakt mit dem an Masse liegenden Gehäuse 24; die Verbindung der elektronenleitenden
Schicht 14 mit dem ersten Anschlußteil im Isolierteil 43 erfolgt dabei über die elektrisch leitfähige Dichtungsmasse
30, die Hülse 34 und die Druckfeder 37.
Anstelle der im Beispiel aufgeführten Art der Kontaktierung der Leiterbahn 17 mit einem Kontaklring
49 können auch andere bekaiv.ite, mit einer
Kontaktfeder 5ö zusammenwirkende Kontaktierungsverfahren
angewendet werden.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (8)
1. Elektrochemischer Meßfühler für die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Abgasen, insbesondere
in Abgasen von Verbrennungsmotoren, mittels einer Sauerstoffkonzentrationskeae mit ionenleitendem
Festelektrolyten, wobei der Festelektrolyt die Form eines einseitig geschlossenen Rohres hat,
das von einem koaxial dazu angeordnetem Gehäuse teilweise umgeben ist, auf seiner äußeren, den
Abgasen zugewendeten Oberfläche zumindest teilweise eine elektronenleitende, mit einem ersten
elektrischen Anschlußteil direkt oder indirekt in elektrischer Verbindung stehende poröse Schicht
trägt und an seiner inneren, der Umgebungsluft ausgesetzten Oberfläche eine bis an den Rohrboden
reichende elektronenleitende Bahn aufweist, die direkt oder indirekt mit einem zweiten elektrischen
Anschlußteil elektrisch verbunden ist, dadurch
gekennzeichnet, daß das Festelektrolyt-Rohr
(11) an seicrr Außenseite eine Schulter (13) hat, mit
der es aiii einem im Gehäuse (24) befindlichem,
elektrisch isolierendem ersten Stützring (20) liegt, daß sich diesem ersten Stützring (20) anschlußseits
eine mit der elektronenleitc-nden Schicht (14) auf dem Festelektrolyt-Rohr(ll)in Berührung stehende
elektrisch leitfähige Dichtungsmasse (30) anschließt, di-i koaxial von einer elektrisch isolierenden
Dichtung (31) umgeben ist, welche die Dichtungsmasse (30) gegenüber dem Gehäuse (24) elektrisch
isoliert, und daß auf dieser Dichtungsmasse (30) bzw. Dichtung (31) anschlußseits ein im Gehäuse (24)
befindlicher zweiter Stützring (32) liegt, durch dessen Bohrung (33) der ar.achlußseitige Endab-Schnitt
des Festelektrolyt Rohres (11) und eine elektrisch leitfähige Hülse (34) rührt, die den von
Festelektrolyt-Rohr (11) und Stützring-Bohrung (33) gebildeten Spalt ausfüllt, einerseits mit der Dichtungsmasse
(30) in elektrischem Kontakt steht und ftnschlußseits direkt oder indirekt mit dem ersten
elektrischen Anschlußteil (48) verbunden ist.
2. Meßfühler nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet,
daß der erste Stützring (20). die Dichtungs massen (30, 31), der zweite Stützring (32) und damit
Buch das Festelektrolyt-Rohr (11) und die Hülse (34) Innerhalb des Gehäuses (24) einerseits mittels eines
Gehäuse-Absatzes (22) und andererseits mittels eines Bördelrandes (45) festgehalten sind.
3. Meßfühler nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungsmasse (30) aus
einem elastisch bleibenden Material wie z. B. Graphit besteht.
4 Meßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtring (31) aus
einem Pulver wie z. B. Talkum besteht.
5. Meßfühler nach einem der Ansprüche I bis 4, tiadurch gekennzeichnet, daß der erste Stützring (20)
lind/oder der zweite .Stützring (32) aus Keramik besteht.
b. Meßfühler nach einem der Ansprüche I bis ">,
dadurch gekennzeichnet, daß der erste Stützring (20) an seinem unteren Endabschnilt als Rohrstutzen
(20') ausgebildet ist« der das Festelektrolyt-Rohr (11)
mil Abstand Umgibt und Vorzugsweise auch Abstand von dem Schutzrohr (28) hall.
7. Meßfühler nach einem der Vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem
anschlußseitigen Endabschnitt der Hülse (34) die eine Stirnfläche einer elektrisch leitfähigen Druckfeder
(37) aufliegt, während die andere Stirnfläche dieser Druckfeder (37) mit dem ersten elektrischen
Anschlußteil (48) in elektrischem Kontakt steht.
8. Meßfühler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das erste
und das zweite elektrische Anschlußteil (48, 52) in einem beiden gemeinsamen Isolierteil (43) festgelegt
sind.
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