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Anlage zur Patent- und Gebrauchsmusterhilfsanmeldung Elektrochemischer
Meßfühler für die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Abgasen, insbesondere in
Abgasen von Verbrennungsmotoren Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrochemischen
eßfühler 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
Rohrs hat, auf dessen äußerer, den Abgasen zugewendeter Oberfläche sich zumindest
teilweise eine elektronenleitende poröse Schicht befindet, die in einem Kontaktbereich
direkt oder indirekt mit einem elektrisch leitfähigem Gehäuse verbunden ist, und
das an seiner inneren, der Umgebungsluft ausgesetzten Oberfläche eine bis an den
Rohrboden reichende elektronenleitende vorzugsweise poröse Bahn aufweist, die in
einem Kontaktbereich direkt oder indirekt mit einem elektrischen Anschlußteil verbunden
ist.
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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 der Kohlenwasserstoffe - Wasser, bzw. die Stickoxide in elementaren Stickstoff
übergeführt werden müssen.
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Eine solche Überführung der schädlichen Anteile des Abgases in die
unschädlichen Verbindungen Kohlendioxid, Stickstoff und Wasser kann z.B. dadurch
geschehen, daß man die Abgase bei Temperaturen oberhalb von 6000 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 Verhältnis von Luft und Brennstoff wird bekanntlich mit einem A
-Wert von 1 gekennzeichnet. Ein Ä-Wert von gleich oder kleiner 1 besagt, daß kein
über die Gleichgewichtsmenge der verschiedenen möglichen Reaktionen hinausgehender
'UberschUssiger't Sauerstoff vorhanden ist, während bei einem k -Wert größer 1 "überschUssiger"
Sauerstoff in dem Gemisch vorliegt; bei einem n-Wert gleich 1 geht also das Abgas
vom reduzierenden in den oxidierenden Zustand über oder umgekehrt.
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Zur Erzielung eines akzeptablen Abgases und eines optimalen Kraftstoffverbrauches
ist das Einhalten eines t -Wertes von etwa 1 erforderlich; aus diesem Grunde wird
in den Weg des Abgases ein elektrochemischer Meßfühler eingebaut, der z.B.
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den Sauerstoffgehalt im Abgas mißt und über eine Regeleinrichtung
die
richtige Einstellung des Brennstoff-Luft-5emisches und damit weitgehend auch der
Abgaszusammensetzung bewirkt.
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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.
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Platin bedeckt ist. Der Festelektrolyt hat zumeist die Form eines
einseitig geschlossenen Rohres, wobei sein geschlossenes Ende in das Innere des
Abgasrohres hineinragt; sowohl die auf der äußeren Oberfläche als auch die auf der
inneren Oberflächedes Festelektrolyt-Rohres befindliche elektronenleitende Schicht
oder Leiterbahn hat jeweils einen Kontaktbereich, mit dem sie an ein elektrisch
leitfähiges Anschlußteil angeschlossen ist.
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Bei in Betrieb befindlichem Verbrennungsmotor wird in dem im Abgasauslaß
befindlichen Abschnitt des Festelektrolyt-Rohres zwischen der dem Abgas ausgesetzten
elektronenleitenden Schicht auf der äußeren Oberfläche des Festelektrolyt-Rohres
und der der Luft ausgesetzten, auf der Innenseite des Festelektrolyt-Rohres befindlichen
elektronenleitenden Schicht eine Spannung erzeugt, die als Stellgröße für die Regeleinrichtung
des Kraftstoffeinspritzsystems der Verbrennungskraftmaschine dient.
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Gleichzeitig wird aber auch der anschlußseitige Endabschnitt des Festelektrolyt-Rohres
infolge seiner Erwärmung elektrisch leitfähig und stellt einen relativ niedrigen
elektrischen Widerstand im Meßfühler dar, der parallel zum spannungserzeugenden
Abschnitt des Meßfühlers liegt und zu einer Verringerung des Spannungssignals des
Meßfühlers führt; aus der nachfolgenden Tabelle ist am Beispiel von für Festelektrolyt-Rohre
verwendbarem CaO-stabilisiertem Zirkondioxid gezeigt, daß die Temperatur (t) einen
erheblichen Einfluß auf den spezifischen elektrischen Widerstand (9) dieses Materials
hat und zur Bildung des genannten, relativ kleinen Parallelwiderstands innerhalb
des Meßfühlers führt:
| t 400° C ~ 100 KQ x cm 10 K x cm C |
| t 1 MQ x cm 100 kr x cm 10 kr x 5806 x |
Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, einen elektrochemischen Meßfühler
zu schaffen, dessen Spannungssignal nicht durch einen vorstehend beschriebenen,
relativ kleinen Parallelwiderstand innerhalb des Meßfühlers auf einen unbrauchbaren
Wert verringert wird.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß zwischen
der elektronen leitenden Schicht und der äußeren Oberfläche des Festelektrolyt-Rohres
und/oder zwischen der Leiterbahn und der inneren Oberfläche des Fest-elekeSrolyt-Rohres
eine hochohmige Zwischenschicht angeordnet ist, die sich zumindest unter dem Kontaktbereich
der elektronenleitenden Schicht bzw.
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dem Kontaktbereich der Leiterbahn befindet und am anschlußseitigen
Ende des Festelektrolyt-Rohres die elektronenleitende Schicht bzw. die Leiterbahn
vom Festelektrolyt-Rohr elektrisch isoliert; es genügt praktisch zumeist eine elektrisch
isolierende Zwischenschicht, die das Spannungssignal des Meßfühlers auf einen Wert
von mehr als 50 % desjenigen Spannungssignals hält, das von einem Meßfühler ohne
den genannten Parallelwiderstand erzeugt würde. Infolge dieser elektrisch isolierenden
Zwischenschicht ist zwischen die elektronenleitende Schicht auf der äußeren Oberfläche
des Festelektrolyt-Rohres und die elek tronenleitende Bahn auf der inneren Oberfläche
des Festelektrolyt-Rohres ein hoher Isolationswiderstand geschaltet und damit das
Entstehen des genannten Parallelwiderstandes im Meßfühler unterdrückt.
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Fertigungstechnisch ist es von Vorteil, wenn gemäß einer bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung das gesamte anschlußseitige Ende einschließlich der
Flächen unter den Kontaktbereichen des Festelektrolyt-Rohres mit einer ununterbrochenen
Zwischenschicht versehen ist.
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Als Stoffe für-die erfindungsgemäße Zwischenschicht eignen sich Korund,
Magnesium-Spinell, feuerfeste Silikate oder eine
elektrisch isolierende
Glasur, vorzugsweise eine Barium-Aluminium-Silikat-Glasur, wobei der thermische
Ausdehnungskoeffizient der Zwischenschicht mit dem des Festelektrolyt-Rohres weitgehend
übereinstimmt.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt
und werden im folgenden beschrieben und näher erläutert; es zeigen Fig. 1 einen
Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen elektrochemischen Meßfühler in vergrößerter
Darstellung, Fig. 2 einen Längsschnitt durch den im Zusammenhang mit der Erfindung
interessierenden Bereich des Meßfilhlers nach Fig. 1 in weiter vergrößerter Darstellung
und Fig. 3 eine Darstellung des auch in Fig. 2 gezeigten interessierenden Abschnitts
eines Meßfühlers, jedoch mit einer zusätzlichen erfindungsgemäen Zwischenschicht.
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Der in den Figuren 1 und 2 dargestellte elektrochemische Meßfühler
10 enthält ein ionenleitendes Festelektrolyt-Rohr 11, das aus stabilisiertem, kubischem
Zirkondioxid besteht und an seinem in ein nicht dargestelltes Abgasrohr ragenden
Ende von einem Boden 12 verschlossen ist; dieses Festelektrolyt-Rohr 11 trägt auf
seiner äußeren, den Abgasen zugewendeten Oberfläche 13 eine elektronenleitende poröse
Schicht 14 aus Platin und auf ihrer inneren Oberfläche 15 eine elektronenleitende
vorzugsweise poröse Bahn 16, die bis in den Bereich des Bodens 12 des Festelektrolyt-Rohres
11 reicht und auch aus Platin besteht. Sowohl die Schicht 14 als auch die Leiterbahn
16 verlaufen am Festelektrolyt-Rohr 11 anschlußeits bis in einen Kontaktbereich
17 bzw. 18. Der anschlußseitige Abschnitt des Festelektrolyt-Rohres 11 ist kopfförmig
ausgebildet und wird
von einem Gehäuse 19 umfaßt, das elektrische
Leitfähigkeit besitzt und aus warmfestem Stahl bestehen kann. Dieses Gehäuse 19
trägt den kopfförmigen Abschnitt des Festelektrolyt-Rohres 11 auf einer Schulter
20, die gleichzeitig noch einen Zwischenring 21 und den Flansch 22 eines Schutzrohres
23 trägt, das den dem Abgas ausgesetzten Teil des Festelektrolyt-Rohres 11 umgibt
und mit Öffnungen 24 versehen ist. Das Gehäuse 19 hat an seiner Außenseite ein Schldsselsechskant
25 und ein Einschraubgewinde 26 für den dichten und festen Einbau in ein nicht dargestelltes
Abgasrohr und bildet in seinem anschlußseitigen Bereich mit dem Festelektrolyt-Rohr
11 einen Ringspalt 27. Der untere Bereich dieses Ringspalts 27, in den auch die
elektronenleitende Schicht 14 auf dem Festelektrolyt-Rohr 11 hineinragt, ist mit
einer elektrisch leitenden Dichtungsmasse 28 wie z.B. Graphitpulvcr gefüllt und
stellt die elektrische Verbindung zwischen der elektronenleitenden Schicht 14 und
dem zumeist an Masse liegenden Gehäuse 19 dar. Die Dichtungsmasse 28 ist mit einer
Asbestschicht 29 und einer Stahlringscheibe 30 abgedeckt; dieser Stahlringscheibe
30 folgen im Ringspalt 27 eine Führungsbuchse 31, der Flansch 32 einer Schutzhülse
33, ein Bördelring 34 und zum Schluß ein am Gehäuse 19 befindlicher Bördelrand 35.
Die Dichtungsmasse 28 drückt bei dieser Anordnung auf eine Schulter 36 an der Außenseite
des Festelektrolyt-Rohres 11.
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Der Innenraum 37 des Festelektrolyt-Rohres 11 ist anschlußseits als
Aufbohrung 38 mit abgerundeten Übergängen ausgebildet, und die Leiterbahn 16 ragt
mit ihrem Kontaktbereich 18 bis in diese Aufbohrung 38 hinein. In dieser Aufbohrung
38 befindet sich auch ein rohrförmiges, elektrisch leitfähiges Anschlußteil 39,
das an seinen beiden Endabschnitten abgesetzt ist. Der untere Abschnitt 40 dieses
Anschlußteils 39 faßt in den Innenraum 37 des Festelektrolyt-Rohres 11 und hat auch
einen etwa entsprechenden Durchmesser; von einem Teil dieses unteren Abschnittes
40, einem Teil der Aufbohrung 38 und dem zum unteren Abschnitt 40 führenden Absatz
41 des Anschlußteils 39 wird ein Ringraum 42 gebildet, der mit einer elektrisch
leitfähigen Dichtungsmasse 43 gefüllt ist und in dem auch der
Kontaktbereich
18 der Leiterbahn 16 endet. Der obere Abschnitt 44 des Anschlußteils 39 dient als
Führung einer elektrisch leitfähigen Druckfeder 45, die mit ihrem anderen Endabschnitt
Uber einen Zapfen 46 eines Steckkontaktes 47 faßt. Der Steckkontakt 47 ist in einer
Isolierbuchse 48 gehalten, die mit ihrem Flansch 49 am anschlußseitigen Endabschnitt
der Schutzhülse 33 eingebördelt ist. Die Schutzhülse 33 weist einige Löcher 50 auf,
durch die Luft in das Innere-des Meßfühlers 10 eintreten kann; die durch Löcher
50 der Schutzhülse 33 eingetretene Luft gelangt durch die Längsbohrung 51 des Anschlußteils
39 in den Innenraum 37 des Festelektrolyt-Rohres 11.
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Die Fig. 2 zeigt in noch weiter vergrößertem Maßstab-die Ausführung
der Kontaktbereiche 17 und 18 einschließlich der daran anschließenden Teile; in
ihr ist auch deutlich die Anordnung der erfindungsgemäßen Zwischenschicht 52 zu
erkennen, die sich zwischen der elektronenleitenden Schicht 14 und der äußeren Oberfläche
13 des Festelektrolyt-Rohres 11 befindet, und zwar unter dem Kontaktbereich 17 der
elektronenleitenden Schicht 14. Die elektronenleitende Schicht 14 ragt dabei anschlußseits
nicht über diese Zwischenschicht 52 hinaus, die auch bei höheren Temperaturen zwischen
der elektronenleitenden Schicht 14 und dem bei höheren Temperaturen elektrisch leitfähig
werdenden Festelektrolyt-Rohr 11 einen Isolationswiderstand bildet. Diese Zwischenschicht
52, die von einer Barium-Aluminium-Silikat-Glasur gebildet wird und deren thermischer
Ausdehnungskoeffizient mit dem des Festelektrolyt-Rohres 11 weitgehend übereinstimmt,
verhindert ein Entstehen eines im Meßfühler 10 auftreten könnenden zu geringen Parallelwiderstandes
zwischen der elektronenleitenden Schicht 14 an der äußeren Oberfläche 13 des Festelektrolyt-Rohres
11 und der elektronenleitenden Bahn 16 auf der inneren Oberflache 15 des Festelektrolyt-Rohres
11. Anstelle der genannten elektrisch isolierenden Glasur kann als Zwischenschicht
52 auch Korund, Magnesium-Spinell bzw. feuerfestes Silikat Verwendung finden; derartige
Zwischenschichten 52 können durch Plasma- oder Flammspritzverfahren auf das fertig
gebrannte
Festelektrolyt-Rohr 11 aufgebracht werden, Magnesium-Spinell
kann aber auch z.B. durch Aufsprühen auf das noch nicht gebrannte Festelektrolyt-Rohr
11 aufgetragen und dann zusammen mit dem Festelektrolyt-Rohr 11 gesintert werden.
Bei der Auswahl eines Stoffes für die Zwischenschicht 52 sowie bei dessen Anordnung
ist darauf zu achten, daß infolgedessen das Spannungssignal des Meßfühlers 10 auf
einem Wert von mehr als 50 % desjenigen Spannungssignals gehalten wird, das von
einem Meßfühler ohne den genannten, unerwünscht niedrigen Parallelwiderstand erzeugt
würde.
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Der in Fig. 3 der Zeichnung dargestellte Längsschnitt durch einen
Bereich eines elektrochemischen Meßfühlers 10' unterscheidet sich von dem in der
Fig. 2 dargestellten elektrochemischen Meßfühler 10 dadurch, daß zusätzlich noch
eine elektrisch isolierende Zwischenschicht 53 zwischen der Leiterbahn 16 und der
inneren Oberfläche 15 des Festelektrolyt-Rohres 11 angeordnet ist, und zwar insbesondere
unter dem entsprechenden Kontaktbereich 18 der Leiterbahn 16; die Zwischenschicht
53 isoliert dabei das anschlußseitige Ende der Leiterbahn 16 vom Festelektrolyt-Rohr
11. Fertigungstechnisch kann es zweckmäßig sein, wenn nicht nur eine Zwischenschicht
52 und eine Zwischenschicht 53 - wie in Fig. 3 beschrieben - verwendet wird, sondern
wenn diese Zwischenschichten 52 und 53 über das anschlußseitige Ende des Festelektrolyt-Rohres
11 miteinander verbunden sind und somit die Herstellung nach einem Tauchverfahren
erlauben; diese Ausführungsform eines Meßfühlers ist nicht extra dargestellt worden.
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Die erfindungsgemäße Anordnung von Zwischenschichten 52 und/oder 53
ist auch dann brauchbar, wenn die Kontaktierung zwischen elektronenleitender Schicht
14 bzw. Leiterbahn 16 nicht mit einer elastischen Dichtungsmasse 28 vorgenommen
wird, sondern auch bei allen anderen Kontaktierungsarten wie z.B. mit einem elektrisch
leitfähigen Glasschmelzfluß.