DE2639097C2 - Sonde zum Überwachen des stöchiometrischen Verhältnisses im Abgas einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Sonde zum Oberwachen des stöchiometrischen Verhältnisses im Abgas einer

ίο Brennkraftmaschine, insbesondere bei einem Kraftfahrzeug mit einem in eine Gewindeöffnung der Abgasleitung einschraubbaren hülsenförmigen Gehäuse und einem darin aufgenommenen Stützteil, an dessen in die Abgasleitung ragenden vorderen Ende ein plattenförmiges Sensorelement aus einem seinen elektrischen Widerstand in Abhängigkeit des Sauerstoff-Partialdruckes ändernden keramischen Material angeordnet ist, von welchem sich elektrische Leiter in voneinander getrennten Kanälen durch das Stützteil hindurch zu elektrisehen Verbindungsmitteln erstrecken.

Aus der DE-OS 25 27 610 ist eine Sonde der eingangs genannten Art ersichtlich, welche in anderer Weise als vorbekannt betrachtet werden kann. Eine Gruppe von auf die Zusammensetzung von Abgasen ansprechenden Sonden oder Fühler, welche beispielsweise ein keramisches Titanmaterial, nämlich Titandioxid verwenden, weist einen elektrischen Widerstand auf, der sich bei höheren Temperaturen in Abhängigkeit vom Partialdruck des Sauerstoffs und der Temperatur ändert. Verschiedene Konstruktionsvorschläge verwenden hierbei eine elektrische Heizquelle zur Anfangserwärmung des Fühlers und zur Aufrechterhaltung einer speziell ausgewählten Temperatur, so daß die Widerstandsänderungen nicht von Schwankungen in der Abgastemperatur hervorgerufen werden. Die elektrischen Heizmittel bestehen in Form einer elektrischen Widerstandswicklung aus Platindraht. Eine solche Heizquelle erhöht die Kosten eines Fühlers erheblich, und zwar sowohl vom Gesichtspunkt der Kosten des Platinmaterials als auch bezüglich der Mittel, die für den Anschluß erforderlich sind. Außerdem ist eine genaue Temperatursteuerung erforderlich, um zu verhindern, daß Temperaturschwankungen das Regelsignal beeinflussen und um eine sehr genaue Temperatursteuerung zum Betrieb einer Brcnnkraftmaschine bei Verbrennungsgasgemischverhältnissen außerhalb des stöchiometrischen Gleichgewichts vorzusehen.

So bedarf es zur Fixierung des das Sensorelement aufnehmenden topfförmigen Haltestückes der Einbettung in eine anorganische Masse innerhalb des äußeren Gehäuses, wobei die Herstellung der verwendeten Leitungen aus Platin bis zu den Kontakten des Anschlußsteckers hohe Materialkosten bedingt.
Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, die Material- und Herstellungskosten einer solchen, besonders robust ausgebildeten und gegen Schmutz. Salz und Spritzwasser geschützten Sonde wesentlich zu senken und deren weitgehend automatisierte Herstellung zu ermöglichen.

Ausgehend von der Erkenntnis, daß bei den gattungsgemäßen Sonden oder Fühlern auf eine Temperaturregelung verzichtet werden kann, löst die Erfindung diese Aufgabe in Übereinstimmung mit dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 dadurch, daß das Stützteil aus zwei hintereinander angeordneten Keramikkörpern besteht, von denen der in die Abgasleitung ragende vordere Körper ein geschlitztes Vorderende hat, in welches das Sensorelement aufgenommen ist, daß die von

dem Sensorelement ausgehenden Leiter aus Edelmetall bestehen und sich durch"die Kanäle im vorderen Keramikkörper bis zu einer Stelle nahe dessen hinterer Stirnfläche erstrecken, daß durch die Kanäle des hinteren Keramikkörpers je ein weiterer Leiter aus unedlem Material geführt ist und daß die Leiter des ersten und die Leiter des zweiten Keramikkörpers durch in den Kanälen des ersten Keramikkörpers nahe dessen hinterer Stirnfläche eingebrachtes schmelzbares Material paarweise leitend miteinander verbunden sind.

Merkmaie zur vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigt

Fig. 1 in schematischer Darstellung die Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs mit Ansaug- und Abgasleitungssystem sowie einer Regeleinrichtung zum Regeln des Luft/Brennstoff-Verhältnisses,

Fig.2 in einem Diagramm die Abhängigkeit des ohmschen Widerstands eines puf die Abgaszusammensetzung ansprechenden Widerstandsmaterials von der Zusammensetzung des Luft/Brennstoff-Gemischs bei verschiedenen Abgastemperaturen,

F i g. 3 in Explosionsdarstellung einen auf die Abgaszusammensetzung ansprechenden Fühler in erfindungsgemäßer Ausbildung zur Verwendung bei der Regeleinrichtung nach Fig. 1,

F i g. 4 eine elektrische Schaltung mit einem solchen Fühler zur Schaffung der Regelgröße für den in F i g. 1 gezeigten Regler und

F i g. 5 und 6 vergrößerte Längsschnitte durch das vordere Ende bzw. das Mittelteil des Fühlers nach Fig. 3.

In F i g. 1 ist mit 10 die Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs bezeichnet, die mit einer Ansaugleitung 12 und einer Abgasleitung 14 versehen ist. Die Abgasleitung 14 steht mit Liner Auspuffleitung 16 in Verbindung. Eine Brennstoffzumeßeinrichtung 18, die beispielsweise von einer Einspritzpumpe oder einem Vergaser gebildet sein kann, ist nur schematisch am Ansaugende der Saugleitung eingezeichnet. Die Brennstoffzumeßeinrichtung 18 ist mit einem Luftfilter 20 dergestalt versehen, daß die von der Maschine 10 durch die Saugleitung 12 angesaugte Luft von der Atmosphäre durch den Luftfilter 20 und mindestens einen Teil der Brennstoffzumeßeinrichtung 18 geleitet ivjrd. Konstruktion, Zweck und Wirkungsweise der vorbeschriebenen Anordnung sind wohlbekannt und bedürfen deshalb keiner weiteren Erläuterung.

Die Brennstoffzumeßeinrichtung 18 ist ferner mit einer Steuervorrichtung 22 versehen, die im Fall eines elektronischen Einspritzsystems beispielsweise aus einem veränderlichen Widerstand zur Steuerung der der Maschine 10 im Verhältnis zu einer bestimmten Luftmenge zugeführten Brennstoffmenge und im Fall eines Vergasers von einem veränderlich einstellbaren Zumeßventil zur Steuerung der der Maschine im Verhältnis zu einer bestimmten Luftmenge zugeführten Brennstoffmenge gebildet im. Die Steuervorrichtung 22 für das Luft/BrennsU'ff-Verhältnis kann abweichend hiervon auch so ausgebildet sein, daß ein veränderbar einstellbares Luftventil derart gesteuert wird, daß die der Maschine zugeführt^ Liiftmenge im Verhältnis zu einer gegebenen Brennstoffmenge, die durch die Brennstoffzumeßeinrichtung t8 zugeführt wird, gesteuert wird.

Die Auspuffleitung 16 ist mit einem Abgasfühler 24 versehen, der in einem geeigneten Vorsprung oder Ansatz der Leitung derart eingesetzt ist. daß ein auf die chemische Zusammensetzung der Abgase ansprechendes Element den die Leitung 16 durchströmenden Abgasen ausgesetzt ist Unter dem durch die gesamte Be-Schreibung hindurch verwendeten Ausdruck »Abgasfühler« ist ein Gerät oder ein Apparat zu verstehen, der an das Abgassystem zum Ansprechen auf die chemischen Bestandteile der Abgase angeschlossen ist und eine feste keramische Tablette -oder ein Blättchen mit einem elektrischen Widerstand aufweist, welcher in Abhängigkeit von Änderungen in der chemischen Zusammensetzung der Abgase seinen Wert ändert die ihrerseits unmittelbar mit und als Folge von Änderungen im Luft/Brennstoff-Verhältnis des Verbrennungsgemischs variieren, das die Abgase als Nebenprodukt des Verbrennungsvorgangs erzeugt Der Abgasfühler 24 steht mit einem elektronischen Regler 26 über zwei Fühlerleitungen 28, 30 in Verbindung. Der elektronische Regler 26 ist wiederum mit der Steuervorrichtung 22 für das Luft/Brennstoff-Verhältnis über Steuerleitungen 32, 34 verbunden. Wie weiter unten an Hand der Fig.4 beschrieben ist, spricht der elektronische Regler 26 auf Änderungen in der Abgaszusammensetzung an. die von dem Abgasfühler 24 festgestellt werden, und schafft Steuersignale zum Empfang durch die Steuervorrichtung 22 für dt.s Luft/Brennstoff-Verhältnis, welche entweder die Luftmenge oder die Brennstoffmenge verändern und dadurch das Luft/Brennstoff-Verhältnis des der Brennkraftmaschine 10 zugeführten Brennstoffgemischs derart beeinflussen, daß dadurch eine gewünschte Abgaszusammenielzung aufrechterhalten wird. Es verdient Beachtung, daß der Abgasfühler 24 auch an einem Vorsprung oder Ansatz der Abgasleitung 14 angeordnet sein kann.

In F i g. 2 sind drei Widerstandskurven über dem Luft/Brennstoff-Verhältnis aufgetragen, um die Veränderung des Widerstandes eines auf die Abgaszusammensetzung ansprechenden Materials bei drei verschiedenen Temperaturen zu veranschaulichen. Diese Kurven sind mit 36, 38 und 40 bezeichnet, wobei die Kurve 36 der geringsten Temperatur und die Kurve 40 der höchsten Temperatur entsprechen. Innerhalb des mit 42 bezeichneten Bereichs überlappen, wie ersichtlich, die drei Kurven im wesentlichen einander und verlaufen nahezu senkrecht. Für jeden Fall entspricht dies angenähert einer senkrechten Linie 44, die als ein Luft/Brennstoff-Verhältnis von 14,7 bezeichnet ist und in diesem Fall dem stöchiometrischen Gleichgewicht entspricht. Dieser Überlappungsbereich stellt eine ausgeprägte

Änderung des Widerstandes dar, während er gleichzeitig, wie ersichtlich, nur einer Änderung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses um ±0,1 entspricht. Das spezifische Luft/Brennstoff-Verhältnis für das stöchiometrische Gleichgewicht ist eine Funktion der chemischen Zusammensetzung des jeweils verwendeten Gemischs und beträgt bei normalerweise verwendeten Benzinsorten angenähert 14,6 bis 14.8.

Die Kurve 36 entspricht der an einem Abgasfühler beobachteten Widerstandsänderung bei dem Durchfahren des Mischungsverhältnisses von fettem Gemisch (mehr Brennstoff, als zur vollständigen Verbrennung in einer gegebenen Sauerstoffmenge erforderlich) zu magereir. Gemisch (mehr Sauerstoff, als zur vollständigen Verbrennung einer gegebenen Brennstoffmenge erforderlich), bei einer verhältnismäßig niedrigen Betriebstemperatur von beispielsweise 500⁰C. Die Widerstandskurve 40 entspricht der Widerstandsänderung unter ähnlichen Betriebsbedingungen bei einer höheren Be-

triebstemperatur von beispielsweise 900⁰C, und die Kurve 38 gibt einen ähnlichen Übergang für eine Zwischentemperatur wieder. Der in einem typischen Abgassystem zu erwartende Temperaturbereich reicht von der niedrigsten Betriebstemperatur, bei welcher der Abgasfühler noch funktionieren würde, mit etwa 400°C bis zu einer maximalen Temperatur von etwa 1000⁰C. Es läßt sich ersehen, daß sowohl für die Übergangskurve mit hoher Temperatur als auch die Übergangskurve mit niedriger Temperatur eine Widerstandsänderung um mehr als zwei Größenordnungen beim Durchfahren des Luft/Brennstoff-Verhältnisses von »etwas reich« nach »etwas mager« auftritt. Es verdient daher Beachtung, daß der Abgasfühler 24 leicht dazu gebracht werden kann, das Luft/Brennstoff-Verhältnis dadurch sehr nahe am stöchiometrischen Gleichgewicht zu halten, daß versucht wird, das Verhältnis zu modulieren und den Innenwiderstand des Abgasfühlers auf einem Wert zu halten, der sich einem ausgewählten Punkt, beispielsweise der Mitte des mit 42 bezeichneten Bereichs nähert.

In Fig.3 ist ein gemäß der Erfindung hergestellter Abgasfühler 24 in seinem Aufbau an Hand einer sog. Explosionsdarstellung veranschaulicht. Der Abgasfühler 24 weist ein hulsenförmiges Gehäuse 46 aus widerstandsfähigem Metall mit einem Außengewinde 48 und einem dieses überragenden rohrförmigen Ansatz 50 auf, der eine Abschirmung bildet und mit einer Vielzahl von Durchtrittsöffnungen 52 versehen ist. Ein keramischer Einsatz 53 besteht aus einem ersten Keramikkörper 54 mit einem im Durchmesser verhältnismäßig großen zylindrischen Abschnitt 56 und einer rückwärtigen Stirnfläche 58. Von dem zylindrischen Abschnitt 56 erstreckt sich ein im wesentlichen konischer Abschnitt 60 nach vorn und ist dort mit einem geschlitzten Ende 62 versehen. Die Länge des konischen Abschnitts kann eine Funktion der gewünschen Einsatztiefe in das jeweilige Abgasleitungssystem sein. Ein scheibenförmiges Sensorelement 64 aus mit seinem Widerstand auf die Abgaszusammensetzung ansprechendem keramischen Material, die vorzugsweise nach einem bekannten Verfahren (US-PS 38 86 785) aus Tidioxid hergestellt ist, ist von dem geschlitzten Ende 62 aufgenommen. Beim Herstellen des in ihrem Widerstand veränderlichen keramischen Sensorelements 64 werden zwei die Widerstandsmessung übertragende Leiter mit Abstand und einander nicht berührend derart eingebettet, daß sie sich von dem Sensorelement 64 wegerstrecken. Der erste Keramikkörper 54 enthält mindestens zwei von seiner rückwärtigen Stirnfläche 58 ausgehende Kanäle, die sich durch den konischen Abschnitt 60 bis zum geschlitzten Ende 62 erstrecken und die von dem Sensorelement 64 ausgehenden Leiter 66, 68 aufnehmen. Wie F i g. 3 weiterhin zeigt, nimmt der zylindrische Abschnitt 56 des Keramikkörpers 54 an einer nach vorn gerichteten Schulterfläche einen Dichtring 70 in einem dafür vorgesehenen Dichtungssitz auf. Verabredungsgemäß soll in der Beschreibung »vordere(r)« sich auf die Richtung zum Sensorelement 64 hin beziehen, während »hintere(r)« die Richtung von der Tablette 64 weg bedeuten soll.

Ein zweiter Keramikkörper 72 als Teil des keramischen Einsatzes 53 ist mit zwei Durchgangskanälen 74, 76 versehen, die dessen vordere Stirnfläche 78 mit dessen hinterer Stirnfläche 79 verbinden. Zwei getrennt voneinander isolierte elektrische Leiter 80, 42 sind von den Kanälen 74, 76 aufgenommen und derart angeordnet, d iß die blanken Metallkörper 84, 86 der Leiter 80, 82 übe- die Kanäle 74, 76 überstehen und unmittelbar elektrisch leitend mit den Fühlerleitcrn 66. 68 verbun-

den sind. Die isolierten Leiter 80,82 sind an ihren hinteren freien Enden mit Steckern 88,90 zum Einstecken in eine Steckerkupplung 92 versehen. Auf diese Weise kann das Sensorelement 64 an den Regler 26 mit Hilfe einer herkömmlichen Steckerverbindung angeschlossen werden. Der zweite Keramikkörper 72 ist ferner mit einer Anzahl wärmeabführender Ringrippen versehen, die längs seinem hinteren Abschnitt verteilt sind und sich im wesentlichen radial von der Achse des zweiten

ίο keramischen Körpers 72, wie bei 94 angedeutet, erstrek-

ken, um den Betrag an Wärme zu vermindern, dem die isolierten Leiter 80, 82 und die Steckerkupplung 92 im Normalbetrieb unterworfen sind.

Gemäß der Darstellung in F i g. 4 enthält der elektrisehe Regler 26 eine spezifische elektrische Schaltung. Die gezeigte Schaltung dient jedoch nur zur Erläuterung und läßt sich durch eine große Anzahl anderer Schaltungen in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Abgasfühler ersetzen.

Zur Energieversorgung der Schaltung dient eine elektrische Energiequelle wie eine Batterie 102, die mit ihrer negativen Klemme an Masse oder eine gemeinsame Masseleitung 104 angeschlossen ist. wie dies normalerweise bei Kraftfahrzeugen der Fall ist. Die positive Klemme der Batterie 102 steht über einen Schalter 106 mit einem spannungsführenden Leiter 108 in Verbindung. Der Schalter 106 kann beispielsweise ein Teil des Zündschalters im Kraftfahrzeug sein, in das die Brennkraftmaschine 10 eingebaut ist. Der Abgasfühler 24 ist elektrisch an die Spannungsleitung 108 über den isolierten Leiter 80 angeschlossen, während der isolierte Leiter 82 vom Abgasfühler 24 zu einem Knotenpunkt 110 führt. Der Knotenpunkt 110 ist mit der Masseleilung 104 über einen ohmschen Widerstand 112 verbunden.

Zwei Potentiometer 114,116 sind parallel zwischen die Spannungsleitung 108 und die Masseleitung 104 geschaltet Der Spannungsabgriff 118 des Potentiometers 114 ist an die eine Eingangsklemme eines Spannungsvergleichers 120 geführt, während der Spannungsabgriff

122 des Potentiometers 116 an die eine Eingangsklemme des Spannungsteilers 124 angeschlossen ist. Die Spannungsabgriffe 118, 122 sind an Eingangsklemmen entgegengesetzter Polarität derart angeschlossen, daß beispielsweise der Spannungsabgriff 118 mit der negati-

ven Eingangsklemme des zugehörigen Vergleichers 120 und der Spannungsabgriff 122 mit der positiven Eingangsklemme des zugehörigen Vergleichers 124 in Verbindung steht. Die restlichen beiden Eingangsklemmen der Vergleicher 120,124 sind mit dem Knotenpunkt 110 verbunden.

Wie gezeigt, sind die Vergieicher 120, 124 von einer Ausführung, die einen inneren Ausgangstransistor aufweist, der in Abhängigkeit von dem Charakter der dem Vergleicher zugeführten Eingangssignale leitend oder

nichtleitend ist. Wenn das der positiven Eingangsklemme eines solchen Vergleichers zugeführte Potential höher als das der negativen Eingangsklemme zugeführte Potential ist, dann wird der innere Ausgangstransistor nichtleitend gemacht, und der damit verbundene Hoch-

61} ziehwiderstand 126,128 wird dafür sorgen, daß die Ausgangsklemme 130 bzw. 132 im wesentlichen das Potential der Spannungsleitung 108 annimmt. Wenn der negative Eingang eines solchen Vergleichers hingegen höher als das Potential am positiven Eingang ist, dann wird der innere Ausgangstransistor leitend, und die Spannung an seinem Ausgang wird im wesentlichen auf Massepotential fallen.
Nachstehend wird die Wirkungsweise der Schaltung

nach F i g. 4 mit dem zuvor beschriebenen Abgasfühler in Verbindung mit Fig.2 erläutert. Hierzu wird zunächst ein repräsentativer Widerstandswert aus den Kurven nach F i g. 2 herausgesucht. Beispielsweise kann ein Widerstandswert von 1200 0hm den ausgewählten s Arbeitspunkt innerhalb des Bereichs 42 repräsentieren. Der Widerstand 112 wird in seiner Größe derart bemessen, daß die am Knotenpunkt 110 auftretende Spannung eine vorausbestimmte bekannte Größe hat, wenn sich der Widerstand des Sensorelements 64 im ausgewählten ι ο Arbeitspunkt innerhalb des Bereichs 42 nach F i g. 2 befindet. Beispielsweise kann der Widerstand 112 auf 1200 0hm bemessen werden, so daß unter den gezeigten Bedingungen die Spannung am Knotenpunkt 110 gleich der Hälfte der Baiieriespannung ist. Die Fühlerspannung am Knotenpunkt 110 wird der positiven Eingangsklemme des Vergleichers 120 und der negativen Eingangsklemme des Vergleichers 124 zugeführt.

Das Potentiometer 114 kann mit seinem Spannungsabgriff so eingestellt sein, daß der negativen Eingangs- klemme des Vei gleichers 120 eine Spannung zugeführt wird, die etwas stärker positiv als die am Knotenpunkt 110 vorausberechnet erscheinende Spannung ist, wenn das der zugehörigen Brennkraftmaschine zugeführte Luft/Brennstoff-Gemisch ein Mischungsverhältnis entsprechend dem Arbeitspunkt im Bereich 42 der Kurven 36, 38, 40 nach F i g. 2 besitzt, und kann demzufolge die maximal zulässige Abweichung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses des Gemischs in das fette Gebiet darstellen. Demgegenüber kann der Spannungsabgriff 122 des Potentiometers 116 so eingestellt sein, daß an der positiven Eingangskljmme des Vergleichers 124 eine Spannung auftritt, die etwas geringer ist als die am Knotenpunkt 110 auftretende Spannung unter Bedingungen ist, die dem Betrieb der Maschine bei einem Luft/Brennstoff-Verhältnis entsprechend dem ausgewählten Widerstandswert des Fühlers 24 innerhalb des Bereichs 42 entsprechen. Dies kann deshalb die maximale Abwei chung des Luft/Brennstoff-Gemischs in dem mageren Bereich kontrollieren. Solange demnach das Brennstoffgemisch der Maschine mit einem Luft/Brennstoff-Verhältnis entsprechend dem ausgewählten Widerstandswert des Sensorelements 64 oder der nahe diesem Wert zugeführt wird, werden die Spannungsvergieicher in einen ausgeschalteten und unwirksamen Zustand vorgespannt. Das Fehlen eines Signals an den Ausgangsklemmen 130, 132 kann deshalb dazu dienen, die Steuereinrichtung 22 für das Luft/Brennstoff-Verhältnis in einem statischen Zustand zu halten, und das Luft/Brennstoff-Verhältnis der Maschine zugeführten Brennstoffgemischs wird sich nicht ändern. Wenn hingegen aus irgendwelchen Gründen der Brennstoffanteil des Gemischs zunimmt (fettes Luft/Brennstoff-Gemisch), wird der Widerstand des Abgasfühiers 24 abnehmen, und die am Knotenpunkt UO auftretende Spannung wird steigen. Wenn dieses Ansteigen genügend groß ist um anzuzeigen, daß das Luft/Brennstoff-Verhältnis in das fette Gebiet über den Punkt hinaus abgewichen ist, für den ein betriebliches Abweichen zulässig ist, wie er durch die Einstellung des Potentiometers 114 begündet ist, wird der Spannungsvergleicher 120 eine hohe Spannung abgeben, die ein Ausgangssignal darzustellen vermag. Ein solches Signal kann dann eine Änderung in der Einstellung der Steuereinrichtung 22 für das Luft/Brennstoff-Verhältnis einleiten oder kanrfdirekt zu einer Veränderung benutzt werden, womit begonnen wird, den Brennstoffanteil im Gemisch herabzusetzen. Wenn der Brennstoffanteil sinkt, wird der Widerstand des Abgasfühlers 64 auf einen solchen Punkt ansteigen, daß die am Knotenpunkt 110 auftretende Spannung absinkt und gegebenenfalls jegliches Spannungssignal am Knotenpunkt 130 beseitigt.

Wenn aus irgendwelchen Gründen der Brennstoffanteil im Brennstoffgemisch abnimmt, wird der Fühlerwiderstand anzuwachsen beginnen, und der Vergleicher 124 wird ein Ausgangssignal an der Klemme 134 liefern, das ein Anwachsen des Brennstoffanteils im Gemisch einleitet.

Es verdient Beachtung, daß die Auswahl der Schaltungskomponenten zu einem großen Teil von der Natur der elektronischen Bestandteile und dem genauen Aufbau der Steuereinrichtung 22 für das Luft/Brennstoff-Verhäitnis abhängt. Wenn diese Einrichtung eine bestimmte Signalform (beispielsweise einen hohen Strom oder ein Massespannungssignal) verlangt, können die Vergleicher 120, 124 gemäß anderen Komponentenwerten, wie sie davon diktiert werden, ausgewählt werden.

In F i g. 5 sind noch einmal in einem vergrößerten und teilweise weggebrochenen Längsschnitt das Sensorelement 64 und das geschlitzte Vorderende 62 des konischen Abschnitts 60 des ersten Keramikkörpers 54 gezeigt. Wie aus dieser Darstellung ersichtlich ist, ist das Sensorelement 64 mit zwei Fühlerleitungen 66, 68 versehen, die sich von der Tablette weg erstrecken und in Kanälen 98, 100 aufgenommen sind, welche hierzu in dem ersten Keramikkörper 54 vorgesehen sind. Die Kanäle 98, 100 verbinden das geschlitzte Vorderende 62 mit der hinteren Stirnfläche 58 des ersten Keramikkörpers 54. Das Sensorelement 64 ist innerhalb des geschlitzten Vorderendes 62 aufgenommen und darin unter der Wirkung der Fühlerleitungen 66, 68 gehalten. Das geschlitzte Vorderende 62 ist vorzugsweise weit genug, um das Sensorelement 64 mit losem Sitz aufzunehmen, so daß jeglicher Klemmdruck auf das Sensorelement 64 vermieden ist, der über eine lange Zeit hinweg schädliche Wirkungen zeitigen würde. Alternativ hierzu kann das Sensorelement 64 auch in Stellung innerhalb des geschlitzten Vorderendes 62 unter Verwendung eines nicht reagierenden Zements auf Titan oder Zirkoniumbasis einzementiert sein. In jedem Fall ist es wichtig, daß nur ein kleiner Teil des Sensorelements 64 von der Berührung mit den strömenden Abgasen abgedeckt ist, wozu der Schlitz nur eine geringe Tiefe gegenüber den Abmessungen des Sensorelements 64 besitzt. Im Fall einer kreisförmigen Ausbildung des Sensorelements 64 ist nur ein kleinerer Bogenabschnitt derselben innerhalb des Schlitzes aufgenommen. Wie in der Figur gcZcigt iSi, veriäüicn die Kanäle 98, 100 parallel Zueinander und zu der ungefähren Mittellinie des ersten keramischen Körpers 54. Es würde auch möglich sein, die Kanäle 98, 100 nach rückwärts leicht mit einer Größe und einem Abstand divergieren zu lassen, um einen geeigneten räumlichen Abstand zwischen den Kanälen an der hinteren Stirnfläche 58 des ersten keramischen Körpers 54 und den Kanälen an der vorderen Stirnfläche 78des zweiten keramischen Körpers 72 zu erhalten.

F i g. 6 zeigt in einem vergrößerten und beiderseits weggebrochenen Längsschnitt den mittleren Bereich des keramischen Einsatzes 53 mit den elektrischen Verbindungen zwischen den Fühlerleitungen 66, 68 einerseits und den Steckerleitungen 84, 86 andererseits. Wie in dieser Figur dargestellt, sind die im ersten Keramikkörper 54 ausgebildeten Kanäle 98,100 mit erweiterten Abschnitten 99,101 innerhalb des zylindrischen Körperabschnitts 56 versehen, die bis zur hinteren Stirnfläche

58 des Keramikkörpers reichen. Die Fühlerleiter 66, 68 sind so bemessen, daß sie vom geschlitzten Vorderende 62 in die erweiterten Abschnitte 98,100 reichen. Die sich durch die Kanäle 74,76 im zweiten keramischen Körper 72 angeordneten Steckerleiter 84, 86 haben eine solche Länge, daß sie in die erweiterten Abschnitte 99, 101 reichen, wenn die hintere Stirnfläche 58 des ersten Keramikkörpers 54 gegen die vordere Stirnfläche 78 des zweiten Keramikkörpers anliegt.

Der Zusammenbau des Abgasfühlers 24 nach den F i g. 3, 5 und 6 der Zeichnung erfolgt dergestalt, daß zunächst das Sensorelement 64 mit den beiden von ihr ausgehenden Leitern 66, 68 derart in das geschlitzte Vorderende 62 des ersten Keramikkörpers 54 eingesetzt wird, daß sich die Fühlerleiter 66, 68 durch die Kanäle 98,100 erstrecken und ihre freien Enden innerhalb der erweiterten Abschnitte 99, JOO zu liegen kommen. Die erweiterten Abschnitte 99,101 werden daraufhin mit beispielsweise pulverisiertem Kupfer oder einem flockenförmigen Lötmittel gefüllt. Nebenher werden die isolierten Leiter 80,82 von der Rückseite 79 des zweiten Keramikkörpers 72 her in dessen Kanäle 74,76 eingeführt, so daß sich die blanken Leiter 84, 86 vollständig durch die Kanäle 74,76 erstrecken. Die blanken Leiter 84, 86 werden daraufhin in die mit Pulver angefüllten Kanalabschnitte 99,101 des ersten Keramikkörpers 54 gedrückt, und die vordere Stirnfläche 78 des zweiten Keramikkörpers 72 wird in Anlage gegen die hintere Stirnfläche 58 des zweiten Keramikkörpers 54 gebracht. Daraufhin wird der zylindrische Abschnitt 56 des ersten Keramikkörpers 54 einer lokalen Erwärmung unterworfen, um ausreichend Wärmeenergie zuzuführen, mit welcher das pulverisierte Material innerhalb der Kanalabschnitte 99,100 zum Fließen gebracht und eine elektrisch leitende, mechanisch feste Verbindung zwischen den Fühlerleitern 66, 68 und den Steckerleitern 86, 84 zustande zu bringen. Der keramische Einsatz 53 wird daraufhin in das hülsenförmige Gehäuse 46 dergestalt eingesetzt, daß der vordere Dichtungsring 70 in Anlage gegen eine Dichtungsfläche innerhalb des hülsenförmigen Gehäuses 46 gebracht wird. Das hintere Ende des hülsenförmigen Gehäuses 46 wird daraufhin 2ur Erzeugung eines Dichtungsdrucks gegen die hintere Dichtung 96 umgebördelt. Alternativ hierzu kann die hintere Dichtung 96 in solchen Fällen durch einen Keramiksitz ersetzt werden, in denen eine ausreichende Abdichtung durch die mit dem hülsenförmigen Gehäuse 46 zusammenwirkende vordere Dichtung 70 erreicht wird.

Die Steckerstifte 88, 90 und die Steckerkupplung 92 können an die isolierten Leitungen 80,82 zu jedem Zeiteinen Wärmeausdehnungskoeffizienten in Übereinstimmung mit dem des Keramikmaterials, aus dem der ersten und der zweiten Keramikkörper bestehen, und dem der Fühlerleiter 66,68 und der Steckerleiter 84,86 aufweisen. Das Material des ersten und des zweiten Kerarnikkörpers ist typischerweise ein Keramikmateria! mit einem hohen Aluminiumanteil.

Es läßt sich ersehen, daß die Erfindung die angestrebten Ziele mit Leichtigkeit erfüllt. Durch Schaffung eines konischen Abschnittes mit einem geschlitzten Vorderende, in welches die Fühlertablette lose eingesetzt wird, kann diese dergestalt abgenützt werden, daß ein Maximum ihrer Oberfläche de· Abgasen im Abgassystem frei ausgesetzt ist. Dies ermöglicht eine Herabsetzung

!5 des gesamten Fühlervolumens auf ein Minimum bei gleichzeitig guter thermischer Empfindlichkeit, guter elektrischer Isolation zwischen den in das Fühlermaterial eingebetteten Leitungen und schnellem Ansprechen auf Änderungen im Luft/Brennstoff-Verhältnis. Durch die Anordnung der Verbindung zwischen den aus Edelmetall bestehenden Fühlerleitern und den zu einer entfernt liegenden elektrischen Schaltung führenden Stekkerleitern an einer Stelle nahe dem Eingriff zwischen dem ersten und dem zweiten KeramiKköiper wird die Verwendung von Edelmetall auf ein absolutes Mininu.· · reduziert, wodurch die Kosten des Fühlers herabgesetzt werden. Durch die Anordnung dieser Verbindung innerhalb eines aus zwei Teilen bestehenden keramischen Einsatzes an einer Stelle, die gegebenenfalls innerhalb des metallischen hülsenförmigen Gehäuses liegt, kann diese Verbindung sowohl gegenüber der Atmosphäre als auch gegenüber den Abgasen abgedichtet werden, so daß sie gegenüber lang anhaltenden Korrosionseinflüssen geschützt wird, die durch das Zusammenwirken von Wärme. Kälte und normalerweise bei Kraftfahrzeugen auftretenden Schmutzablagerungen verursacht werden können. Durch die Verwendung eines zweistükkigen keramischen Einsatzes mit einer elektrischen Verbindung zwischen den Fühlerleitern und den Anschlußleitern nahe der Berührungsfläche zwischen den beiden Keramikkörpern iäßt sich die gewünschte Herstellbarkeit auf automatischen Maschinen mit einem Minimum von Handbetätigung beim Zusammenfügen des Abgasfühlers erhalten. Dadurch, daß sich die Steckerleitungen 80, 82 mit ihren Isolationen bis in das Innere des hinteren Keramikkörpers 72 hinein erstrecken, ist die Wahrscheinlichkeit, daß sich durch Ansammlung von Fremdkörpern an der hinteren Stirnfläche 79 ein Kurzschluß zwischen den Leitern 84, 86 ausbildet, weitestgehend vermieden, da ein solcher Kurzschluß auch erfordern

ⁿunkt während des Herste!!un^tTs^r|rozesses an^brächt würd** daß die Isolation der Leiter 84 86 schadhaft wird.

werden und können auch an die isolierten Leiter 80, 82 vor deren Einführung in den zweiten Keramikkörper 72 angebracht werden. Das für das warmflüssige Pulver ausgewählte Material sollte eine hohe elektrische Leitfähigkeit besitzen und in der Lage sein, eine mechanisch feste Verbindung mit dem typischerweise aus Platin bestehenden Material der Fühlerleiter 66,68 und dem Material der Leiter 84,86 eingehen, das vorzugsweise eine Hochtemperatur-Legierung aus Chrom, Nickel und gegebenenfalls noch Eisen ist. Das unter Wärme verflüssigbarc Material sollte auch die Kanäle 74, 76 und die Kanäle 98,100 abdichten, um zu verhindern, daß Abgase durch diese hindurchströmen. Weiterhin sollte das als unter Wärme verflüssigbares Pulver ausgewählte Material in der Lage sein, ohne Erweichen den normalen Betriebstemperaturen des Abgassystems zu widerstehen, indem der Fühler 24 verwendet wird, und sollte Eine solche Isolation besteht typischerweise aus Polytetrafluorethylen, das für seine Robustheit und Reaktionsunempfindlichkeit bekannt ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

16 39 097 Patentansprüche:

1. Sonde zum Oberwachen des stöchiometrischen Verhältnisses im Abgas einer Brennkraftmaschine, insbesondere bei einem Kraftfahrzeug, mit einem in eine Gewindeöffnung der Abgasleitung einschraubbaren hülsenförmigen Gehäuse und einem darin aufgenommenen Stützteil, an dessen in die Abgasleitung ragenden vorderen Ende ein plattenförmiges Sensorelement aus einem seinen elektrischen Widerstand in Abhängigkeit des Sauerstoff-Partialdruckes ändernden keramischen Material angeordnet ist, von welchem sich elektrische Leiter in voneinander getrennte Kanälen durch das Stützteil hindurch zu e'ektrischen Verbindungsmitteln erstrekkei;, dadurch gekennzeichnet, daß das Stützteil aus zwei hintereinander angeordneten Keramikkörpern (54, 72) besteht, von denen der in die Abgasleitung (16) ragende vordere Körper (54) ein geschlitztes Vorderende (62) hat, in welches das Sensorelement (64) aufgenommen ist, daß die von dem Sensorelement (64) ausgehenden Leiter (66, 68) aus Edelmetall bestehen und sich durch die Kanäle (98, 100) im vorderen Keramikkörper (54) bis zu einer Stelle (99 bzw. 101) nahe dessen hinterer Stirnfläche erstrecken, daß durch die Kanäle (74, 76) des hinteren Keramikkörpers (72) je ein weiterer Leiter (84 bzw. 86) aus unedlem Material geführt ist und daß die Leiter (66, 68) des ersten und die Leiter (84, 86) des zweiten Keramikkörper (54 bzw. 72) durch in den Kanälen (98/99, 100/101} des ersten Keramikkörpers (54) nahe dessen hinterer Stirnfläche eingebrachtes schmelzbares Material paarweise leitend miteinander verbunden sind.

2. Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das hülsenförmige Gehäuse (46) einen über den Gewindeabschnitt (48) hinausragenden rohrförmigen Ansatz (50) aufweist, der das Sensorelement (64) übergreift.

3. Sonde nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung des rohrförmigen Ansatzes (50) mit einer Vielzahl von Durchtrittsöffnungen (52) versehen ist.

4. Sonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das schmelzbare Material Metallpartikel zur Bildung einer mechanisch festen und elektrisch leitenden Verbindung zwischen den ersten und den zweiten Leitern (98, 100 bzw. 84,86) enthält.

5. Sonde nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das schmelzbare Material in die Kanäle (98/99, 100/101) in Pulverform eingebracht und anschließend unter Wärmeanwendung zur Erzielung einer Temperatur über der zu erwartenden Betriebstemperatur in der Abgasleitung (16) verflüssigt worden ist.

6. Sonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der vordere Keramikkörper (54) mit einer einen Dichtungssitz bildenden Schulter versehen ist, die eine das Hindurchtreten von Abgasnebenprodukten zwischen dem Keramikkörper (54) und dem hülsenförmigen Gehäuse (46) verhindernde Dichtung (70) aufnimmt.

7. Sonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement (64) von einem scheibenförmigen Körper gebildet ist, der in dem Schlitz (62) des vorderen Keramikkörpers (54) derart aufgenommen ist, daß sich nur ein kleiner Teil der Scheibenperipherie innerhalb des Schlitzes befindet