DE2645573A1

DE2645573A1 - Sauerstoffuehler zum bestimmen der sauerstoffkonzentration in heissen gasen, insbesondere in auspuffgasen

Info

Publication number: DE2645573A1
Application number: DE19762645573
Authority: DE
Inventors: Takeshi Fujishiro; Toru Kita
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1975-10-09
Filing date: 1976-10-08
Publication date: 1977-04-28
Also published as: US4088555A; GB1529629A; CA1052863A

Description

Dr.D.Thomsen PATE NTANWALTS BÜRO

& Telefon (089) 530211

530212 OP / r-rijQ

W.WeinkaUff Telegramm-Adresse ι ^L ° ** ° ° ' °

, expertia Cable address

PATENTANWÄLTE MOnchen: Frankfurt/M.:

Dr. rer. nat. D. Thomson Dipl.-Ing. W. Weinkauff

(Fuchshohl 71)

Dresdner Bank AQ, München, Konto 5574237

8000 München 2 Kaiser-Ludwig-Platz6 8. Oktober 1976

Nissan Motor Company, Limited Yokohama City, Japan

Sauerstoffühler zum Bestimmen der Sauerstoffkonzentration in heißen Gasen, insbesondere in Auspuffgasen

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sauerstoffühler zum Bestimmen der Sauerstoffkonzentration in heißen Gasen, insbesondere in den Auspuffgasen eines Kraftfahrzeugverbrennungsmotors, bestehend aus einem ionenleitenden festen Elektrolytrohr, das an seinem einen Ende geschlossen ist; ersten bzw. zweiten porösen Elektrodenschichten, mit welchen die äußere bzw. innere Oberfläche des Elektrolytrohrs überzogen ist; einer rohrförmigen Metallhülse, die in ihrem Inneren die Elektrodenschicht teilweise so umschließt, daß ein geschlossenes Endteil des Elektrolytrohrs aus dieser

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Metallhülse herausragt und daß die erste Elektrodenschicht teilweise mit der Innenseite der Metallhülse in Kontakt ist; und aus einem Metallrohr, welches in die Bohrung des Elektrolytrohrs eingesetzt ist und dort stellenweise mit der zweiten Elektrodenschicht in Kontakt ist und teilweise aus dem offenen Ende des Elektrolytrohrs herausragt, wobei es sowohl als Leiter als auch als Leitungsrohr für die Zuführung von Luft als Bezugsgas in das Innere des Elektrolytrohrs dient.

Ein solcher Sauerstoffühler, welcher .eine Schicht aus einem ionenleitenden festen Elektrolyten, wie z.B. einem stabilisierten Zirkoniumoxyd, aufweist, und nach dem Prinzip einer Sauerstoffkonzentrations-Zelle arbeitet, ist an sich bekannt. Dieser Typ eines Sauerstoffühlers ist geeignet zum Bestimmen der Sauerstoffkonzentration in heißen Gasen, insbesondere in Auspuffgasen von Verbrennungsmotoren bei hauptsächlich automatischem Betrieb als ein Element für ein rückgekoppeltes Steuersystem zum Steuern des Luft/Brennstoff-Verhältnisses eines in den Motor eingespeisten Verbrennungsgemisches.

Bei der praktischen Anwendung dieses Sauerstoffühler-Typs in Auspuffsystemen von" Verbrennungsmotoren ist die feste Elektrolytschicht in den meisten Fällen in Rohrforia ausgebildet, die an ihrem einen Ende, zur leichteren Befestigung entweder an den Auspuffleitungen oder den Auspuffrohren von Motoren und zum Exponieren der festen Elektrolytschicht mit ihrer einen Seite gegenüber dem Auspuffgas und mit ihrer entgegengesetzten

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Seite gegenüber der Atmosphärenluft als Bezugsgas, geschlossen ist. Die äußeren und inneren Oberflächen des festen Elektrolytrohrs sind mit porösen und elektronenleitenden Schichten aus einem katalytischen Metall, wofür Platin ein typischer Vertreter ist, zur Bildung der Anoden- bzw. Kathodenelektrode der Sauerstoffkonzentration-Zelle überzogen. Dieses feste Elektrolytrohr ist streng in eine rohrförmige Metallhülse derart eingesetzt, daß ein geschlossenes Endteil dieses Rohrs aus der Metallhülse herausragt. Diese Metallhülse weist auf ihrer Außenseite Verbindungs- oder Befestigungsmittel, wie z.B. ein Schraubengewinde, zur Befestigung des Sauerstoffühlers am Auspuffsystem des Motors auf und dient daneben auch noch als anodischer Leiter. In das feste Elektrolytrohr ist von seinem offenen Ende her ein Metallrohr eingeführt, das sowohl als Kathodenleiter als auch als Luftzuführungsleitung dient. Die Metallhülse und das innere Metallrohr werden dadurch an ihren Positionen gehalten, daß z.E. eine besondere Ausgestaltung des festen Elektrolytrohrs etv/a in Form eines stellenweise ausgeweiteten äußeren und inneren Durchmessers vorgesehen ist, wodurch ein Flansch auf dem inneren Metallrohr gebildet wird, und daß geeignete Halteringe verwendet werden.

Wenn das feste Elektrolytrohr mit der Metallhülsa und dem inneren Metallrohr zusammengesetzt ist, stehen die äußeren und inneren leitenden Beschichtungen auf dem festen Elektrolytrohr, insbesondere an den Endbereichen nahe dem offenen Ende des Elektrolytrohrs,meist in einem unvermeidbaren Abstand von der Metallhülse bzw. dem inneren Metallrohr. Um ein Durchlecken des Auspuffgases entlang der äußeren leitenden Schicht zu

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verhindern und eine sichere elektrische Verbindung zu gewährleisten, ist der ringförmige Zwischenraum zwischen dem festen Elektrolytrohr und der Metallhülse mit einem leitenden und hitzebeständigen Dichtmittel ausgefüllt. Der Zwischenraum zwischen dem festen Elektrolytrohr und dem inneren Metallrohr ist ebenfalls mit demselben Dichtmittel ausgefüllt. In konventionellen Sauerstoffühlern der beschriebenen Konstruktion ist dieses Dichtmittel ausgewählt aus a) Graphitpulver, b) Gemischen aus Metallpulver, z.B. einem Kupfer-, Eisen- oder Nickelpulver und einem hitzebeständigen aber nicht leitenden Pulvermaterial, wie z.B. Äluminiumoxyd, Magnesiumoxyd oder Talk, und c) halbleitenden Gläsern. Im Fall der Verwendung des Materials a) oder b) wird das pulverförmige Dichtungsmaterial in die vorstehend beschriebenen ringförmigen Zwischenräume mithilfe von Halterungen eingepreßt. Das Material c) ist beim oder unmittelbar nach dem Einfüllen geschmolzen.

Die bisher bekannten Sauerstoffühler der vorstehend beschriebenen Konstruktion weisen einige Wachteile auf, wenn sie in dieser Form in irgendeine Komponente des Auspuffsystems von Verbrennungsmotoren eingebaut werden. 1) Da das feste Elektrolytrohr an seinem einen offenen Ende unbedeckt gelassen wird, kann dieses Elektrolytrohr brechen, wenn dieses offene Ende mit Wasser bespritzt wird, weil dieses Elektrolytrohr durch die Hitze des Auspuffgases bei hohen Temperaturen (gewöhnlich über 4oo° bis 6oo°C) gehalten wird. 2) Die Befestigung des festen Elektrolytrohrs an die Metallhülse als auch die Befestigung des Metallrohrs an das Elektrolytrohr wird mithilfe von Halteringen

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bewerkstelligt, welche aus einem weichen Material, wie z.B. Kupfer, hergestellt sind; diese Ringe neigen jedoch dazu, während einer langen Betriebsdauer des Sauerstoffühlers im Motor in ihren elastischen Eigenschaften oder in ihrer Halterungsfähigkeit nachzulassen, woraus eine Lockerung der Befestigung, insbesondere des inneren Metallrohrs gegenüber dem Elektrolytrohr, resultiert. Die mittlere Lebensdauer dieser Sauerstoffühler ist deshalb geringer als die der Auspuffsystemkomponente, an welche diese Sauerstoffühler befestigt sind. Daneben zeigt das elektrisch leitende Dichtmittel, das dicht in den Zwischenraum zwischen der Metallhülse und dem Elektrolytrohr eingefüllt ist, oft eine Abnahme in seinen Dichtungs- und/oder Leitungseigenschaften als Folge der Wärmeübertragung aus dem Auspuffgas und des praktisch unvermeidbaren Kontakts mit dem Auspuffgas, das oxydierende und korrosive Komponenten enthält. So wird z.B. Graphit als Dichtmittel bei einem ständigen Kontakt mit dem Auspuffgas bei Temperaturen oberhalb von ungefähr 5oo°C allmählich oxydiert und in seinem Volumen verringert, wodurch sich ein Lockern oder teilweises Abbröckeln des eingestampften Dichtmittels ergibt, das während der Betriebsdauer des Motors mechanischen Erschütterungen unterworfen ist. Wenn ein pulverförmiges Gemisch, das ein Metallpulver enthält, als Dichtmittel verwendet v/ird, läßt die elektrische Leitfähigkeit des Dichtmittels allmählich nach, weil dieses Metallpulver während des langen Ausgesetztseins gegenüber hohen Temperaturen einer allmählichen Oxydation unterliegt. Ein in den Zwischenraum eingefülltes halbleitendes Glas neigt durch die sich ständig wiederholenden Erhitzungs- und Abkühlungszyklen zum Bruch und zeigt dann ein Nachlassen in seinem

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Dichtungsverhalten.

Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, diese Nachteile der bereits bekannten Sauerstoffühler des vorstehend beschriebenen Typs zu beheben und einen verbesserten Sauerstoffühler vorzusehen, der eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegen Spritzwasser, eine verbesserte Ausdauer unter den harten Betriebsbedingungen, einschließlich den hohen Temperaturen und den mechanischen Erschütterungen, und eine verbesserte Betriebssicherheit in seinen elektrischen Verbindungen zeigt und demzufolge besonders zur Verwendung im Auspuffsystem von Verbrennungsmotoren geeignet ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Sauerstoffühler der eingangs erwähnten Gattung durch folgende Merkmale gelöst:

a) Ein rohrförmiges Zwischenstück aus einem elektrisch nichtleitenden Keramikmaterial, das einen äußeren Durchmesser größe als das offene Ende des Elektrolytrohrs und einen inneren Durchmesser kleiner als der des offenen Endes des Elektrolytrohrs. aber größer als der äußere Durchmesser des Metallrohrs aufweist und im wesentlichen koaxial zum Elektrolytrohr derart angeordnet ist, daß die vordere Stirnfläche des keramischen Zwischenstücks sich in Kontakt mit dem Elektrolytrohr befindet und dessen offene Stirnfläche bedeckt, und durch

b) ein rohrförmiges metallisches Aufsatzstück, das so ausgebildet ist, daß es das keramische Zwischenstück dicht umschließt und an seinem vorderen Endbereich so an der Metallhülse befestigt ist, daß es ein Loslösen des keramischen Swischen-

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Stücks von der offenen Endfläche des Elektrolytrohrs verhindert, wodurch es das offene Ende dieses Elektrolytrohrs gegen den Zutritt von fremden Schadeinflüssen schützt.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung weist das rohrförmige Aufsatzstück an seinem einen Ende einen Flansch, der das vordere Ende des Zwischenstücks umgibt, das mit dem offenen Ende des Elektrolytrohrs in Berührung steht, und einen ringförmigen Wulst auf, der auf der Innenseite des Aufsatzstückes ausgebildet ist, um das rückwärtige Ende des Zwischenstücks zu stützen, während das Endteil der Metallhülse so ausgebildet ist, daß es sich vom offenen Ende des Elektrolytrohrs aus mit einei. inneren Durchmesser, der größer ist als der des Flansches des Aufsatzstückes, erstreckt und über einen auf der Außenseite des AufsatzStückes aufgelegten Dichtring nach innen umgebogen ist, wodurch dieser Dichtring gegen den Flansch gedrückt wird.

Um die Metallhülse an dem Elektrolytrohr zu befestigen und die elektrische Verbindung zwischen der Metallhülse und der ersten Elektrodenschicht sicherzustellen,ist diese Metallhülse vorzugsweise und in an sich bekannter Weise so ausgebildet, daß sie teilweise mit der ersten Elektrodenschicht in einem bestimmten Abstand vom offenen Ende des Elektrolytrohrs in Kontakt ist und teilweise einen inneren Durchmesser aufweist, der groß genug ist, um einen ringförmigen Zwischenraum um den rückwärtigen Bereich des Elektrolytrohrs einschließlich des offenen Endes vorzusehen, wobei dieser ringförmige Zwischenraum mit einem pulverförmigen und elektrisch leitenden Dichtmittel ausgefüllt ist und

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ein Hetallring in diesen Zwischenraum so eingepreßt ist, daß er sowohl mit der ersten Elektrodenschicht als auch mit der Innenseite der Metallhülse in Kontakt steht und ein Auslaufen des Dichtmittels aus dem ringförmigen Zwischenraum verhindert. Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann das Dichtmittel in dem ringförmigen Zwischenraum in Form einer Vielzahl von ringförmigen Schichten aufgebaut sein, welche aus mindestens einer ersten Dichtschicht aus pulverförmiger^ hitzebeständigem und elektrisch nicht leitendem Material und aus mindestens einer zweiten Dichtschicht aus einem pulverförmigen und elektrisch leitenden Material in einer säulenförmigen und aufeinanderfolgenden Anordnung besteht, wobei der am nächsten zum geschlossenen Ende des Elektrolytrohrs gelegene Endbereich dieses ringförmigen Zwischenraums mit der ersten Dichtschicht ausgefüllt ist.

. Als Material für die erste Dichtschicht können beispielsweise Aluminiumoxyd, Magnesiumoxyd, Talk und Kaolin verwendet werden. Das Material für die zweite Dichtschicht kann aus einer aus Graphit, Metallen, wie z.B. Kupfer, Eisen und Nickel, halbleitenden Metalloxyden, wie z.B. WiO, Ni₃O₃, CuO, ZnO, Fe₃O₃ und CoO, halbleitenden Oxyden mit perowskitischer Struktur und deren Gemische untereinander oder aus den vorstehend aufgeführten hitzebeständigen Materialien bestehenden Gruppe ausgewählt werden.

Das Elektrolytrohr des erfindungsgenäßen Sauerstofffühlers ist damit vollständig gegen Zerbersten bei Eintritt von Spritzwasser geschützt, wenn dieser Sauerstoffühler in Kraftfahrzeugen verwendet wird und den Auspuffgasen mit hoher

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Temperatur ausgesetzt ist, weil das keramische Zwischenstück das offene Ende des Elektrolytrohrs vollständig und praktisch luftdicht abdeckt. Die Befestigung des rohrförmigen Aufsatzstückes an der Metallhülse und das Andrücken des keramischen Zwischenstücks gegen das Elektrolytrohr verhindern, daß diese Teile nicht zufällig aus dem Sauerstoffühler herausgelöst v/erden können. Der mehrschichtige Aufbau des Dichtmittels aus einer hitzebeständigen und nichtleitenden Schicht am vorderen Ende hat den Vorteil, daß die leitende Komponente des Dichtmittels v/irksam gegen eine eventuelle Oxydation geschützt ist.

Die Erfindung wird aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den anliegenden Zeichnungen und im Vergleich mit einem konventionellen Sauerstoffühler noch klarer erkennbar; in den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch den erfindungsgeraäßen Sauerstoffühler;

Fig. 2 eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines Teiles des' Sauer stoff ühlers nach Fig. 1;

Fig. 3 ein vergrößertes Teilstück aus Fig. 1;

Fig. 4 einen Längsschnitt durch einen konventionellen Sauerstoffühler; und

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Fig. 5 eine Schnittansicht eines Teilstücks eines

Sauerstoffühlers mit einer geringen Abwandlung des Sauerstoffühlers nach Fig. 1, welche Abwandlung sich auf die in Fig. 3 dargestellte Dichtschicht bezieht.

Der inFig.1 dargestellte erfindungsgenäße Gauerstofffühler 1o arbeitet nach dem bekannten Prinzip einer Sauerstoffkonzentrationszelle: dieser Sauerstoffühler 1o besteht aus einer Lage, welche in Form eines Rohres 12 aus einem sauerstoffionenleitenden festen Elektrolyten/ ζ ·^Β· einer Zirkoniurioxydkeramik, hergestellt ist, die ein Calciumoxyd als stabilisierendes Oxyd enthält. Das feste Elektrolytrohr 12 ist an seinem einen Ende geschlossen (dieses Ende soll nachstehend auch als vorderes Ende des festen Elektrolytrohrs bezeichnet werden, während das offene Ende dieses Elektrolytrohrs als das hintere Ende bezeichnet v/erden soll). Die äußere Oberfläche des festen Elektrolytrohrs ist vollständig mit einer porösen und elektronenleitenden anodischen Elektrodenschicht 14 überzogen. Zum Feststellen der Sauerstoffkonzentration in dem Auspuffgas eines Verbrennungsmotors weist diese Elektrodenschicht 14 vorzugsweise eine katalytische Aktivität bei der Oxydation der in dem Auspuffgas enthaltenen oxydierbaren Komponenten auf und ist gewöhnlich aas Platin hergestellt. Die innere Oberfläche des festen Elektrolvtrohrs 12 ist vollständig mit einer kathodischen Elektrodenschicht 14 überzogen, die an sich der anodischen Elektrodenschicht 14 sowohl hinsichtlich des Materials auch hinsichtlich des Aufbaus und der Struktur ähnlich ist.

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Der äußere Durchmesser dieses festen Elektrolytrohrs ist an einer Stelle vergrößert und bildet einen ringförmigen Wulst bzw. Bund 12a zwischen dem mittleren Bereich und dem offenen Ende des Elektrolytrohrs 12. Das feste Elektrolytrohr ist in eine rohrförmige Metallhülse 18 eingesetzt, deren Durchmesser an einer bestimmten Stelle vergrößert ist, um darin den Bund 12a des Elektrolytrohrs 12 so aufzunehmen, daß das vordere Endstück des Elektrolytrohrs 12 aus der Metallhülse herausragt. Diese Metallhülse 18 besitzt auf ihrer Außenseite ein Befestigungselement, wie z.B. ein Schraubgewinde, zum luftdichten Einsetzen des herausragenden Teilstücks des Elektrolytrohrs 12 in und durch die Wand entweder eines Motorauspuffrohrs oder einer Motorauspuffleitung. Die Metallhülse 18 dient gleichzeitig als anodischer Leiter. Das feste Elektrolytrohr 12 und die Metallhülse 18 sind so ausgestaltet, daß im Bereich, der vom rückwärtigen Ende des Bundes 12a bis zum rückwertigen Ende des Elektrolytrohrs 12 reicht, ein ringförmiger Zwischenraum zwischen ihnen verbleibt. Dieser ringförmige Zwischenraum ist mit einem pulverförmigen und elektrisch leitenden Dichtmittel ausgefüllt, das dicht eingefüllt ist. Um das Dichtmittel 2o festzuhalten und das feste Elektrolytrohr an der Metallhülse 18 zu befestigen, ist ein Ring 22 aus einem relativ weichen Metall, wie z.B. Kupfer, in den rückwärtigen Endbereich des ringförmigen Zwischenraums eingepreßt. Dieser Ring 22 trägt auch zur sicheren Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen der Anodenschicht 14 und der Metallhülse. 18 bei_o Ein i-ieiterer Kupferring 22^β kann im mittleren Bereich des ringförmigen ^%-iischenrauns eingepreßt Χ'ϊ&Σά®η_e ran das Dichtmittel 2o in gw©i Blöcke zu teilen_ρ

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etwa wenn der ringförmige Zwischenraum eine relativ große axiale Ausdehnung aufweist.

Der rückwärtige Endbereich des inneren Hohlraums des festen Elektrolytrohrs 12 ist so ausgebildet, daß es einen vergrößerten Durchmesser mit einem konischen Bereich auf der Innenseite des Bundes 12a aufweist; in diesen Hohlraum des Elektrolytrohrs 12 ist ein Kupferring 24 mit einer konischen Außenfläche an seinem rückwärtigen Endbereich eingesetzt, wobei dieser konische Bereich gegen den konischen Bereich im Hohlraum anliegt. Ein Metallrohr 26, das an seinem einen Ende einen Flansch 26a aufweist und welches Ende so ausgebildet ist, daß es gegen die Innenseite(genauer gesagt gegen die Kathodenschicht 16) des erweiterten Bereichs des Elektrolytrohrs 12 streng anliegt, ist in das rückwärtige Ende des Elektrolytrohrs 12 so eingeführt, daß der Flansch 26a in Kontakt mit dem Kupferring 24 kommt. Das Metallrohr 26 weist solch eine Länge auf, daß dessen hinteres Ende außerhalb des Hohlraums des Elektrolytrohrs 12 bleibt. Der hinter dem Flansch 26a zwischen der Kathodenschicht IG und dem Metallrohr 26 gebildete ringförmige Zwischenraum ist r.iit einem pulverförmigen und elektrisch leitenden Dichtnittel 3o, das eingestampft wurde, und mit Kupferringen 28 und 28' ausgefüllt, welche Kupferringe in den Zwischenraun so eingepreßt sind, daß sie das Dichtraittel 3o in diesem festgestampften. Zustand halten und eine elektrische Verbindung zwischen der Kathodenschicht 16 und dem Metallrohr 26 sichern. Dadurch dient das Metallrohr 26

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sowohl als Kathodenleiter als auch als Leitungsrohr für die Einbringung von Luft als Bezugsgas in das Innere des Elektrolytrohrs 12.

Das Metallrohr 26 weist an seinem rückwärtigen,

aus dem Elektrolytrohr 12 herausragenden Ende und in einem kurzen Abstand vom hinteren Ende dieses Metallrohrs 26 einen Schlitz 32 auf, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. Ein ummanteltes Leitungskabel 34, das als Kathodenleitung des Sauerstoffühlers 2o dient, ist in das Metallrohr 26 vom rückwärtigen Ende her eingeführt, wobei der unverformte (und demzufolge zylinderlörmige) Endbereich 26a des Metallrohrs 26 zusammengepreßt wird, um das Kabel 34 mit seiner nicht abgenommenen Ummantelung fest einzuklemmen. Das so eingesetzte Ende des Kabels 34 kann aber ebensogut auch entmantelt und auf der Innenseite des Metallrohrs 26 durch Ausnutzung des Schlitzes 32 entweder angeschweißt oder angelötet werden, wie dies in der Fig. 2 mit dem Bezugszeichen 38 angedeutet ist.

Nach einem.ersten Merkmal des erfindungsgemäßen Sauerstofffühlers 1o ist ein ringförmiges Zwischenstück 42 aus Keramik im wesentlichen koaxial an die freiliegende rückwärtige Stirnfläche des festen Elektrolytrohrs 12 angesetzt. Dieses keramische Zwischenstück besitzt einen äußeren Durchmesser, der größer ist als der des rückwärtigen (offenen) Endes des Elektrolytrohrs 12, sowie einen inneren Durchmesser, der kleiner ist als der Durchmesser des rückwärtigen Endes des Elektrolytrohrs 12 aber größer als der äußere Durchmesser des Metallrohrs 26. Aus diesem Grunde ist das

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Metallrohr 26 stellenweise in dem keramischen Zwischenstück mit einem sehr engen ringförmigen Spalt dazwischen eingeschlossen. Sowohl die rückwärtige Stirnfläche des Elektrolytrohrs 12 als auch di.e vordere Stirnfläche des keramischen Zwischenstücks sind flach ausgebildet, um dadurch in einen engen Kontakt miteinander zu komrren,Das ringförmige Zwischenstück 42 ist aus einem konventionellen,elektrisch nicht leitenden keramischen Material hergestellt, das als Hauptkomponente Aluniniumoxyd und/oder Siliciumdioxyd enthalten kann.

Das keramische Zwischenstück 42 kann auf irgendeine Weise an der vorstehend beschriebenen Stelle festgehalten werden. Bei dem dargestellten Sauerstoffühler 1o umschließt ein rohrförmiges Aufsatzstück 44 aus einem Metallblech das keramische Zwischenstück 42, während die Metallhülse 18 ein dünnwandiges rückwärtiges Endteil 18a aufweist, das nach rückwärts über das hintere Ende des Elektrolytrohrs 12 hinausragt, um damit das Aufsatzstück 44 an der Metallhülse 18 zu befestigen. Das rohrförmige Aufsatzstück 44 ist an seinem vorderen Endteil nach außen gebogen und bildet so einen Flansch 44a, welcher das hintere Ende des ringförmigen Zwischenraums zwischen der Metallhülse 18 und der Anodenschicht 14 überdeckt. Das Aufsatzstück 44 ist in seinem mittleren Bereich eingekerbt, um auf der Innenseite einen ringförmigen Wulst 44b für die Halterung des rückwärtigen Endes des keramischen Zwischenstücks 42 zu bilden. Ein Dichtring 48 aus einem relativ weichen Metall ist auf der Außenseite des rohrförmigen Aufsatzstücks 44 angebracht und das dünnwandige Endteil 18a der Metallhülse 18 nach innen umgebogen, um den

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Dichtring 48 gegen den Flansch 44a zu pressen. Die zwei ringe 22 und 28 sind in den jeweiligen ringförmigen Spalten vorzugsweise so angeordnet, daß ihre äußeren Stirnflächen im wesentlichen in der gleichen Ebene wie die freie Stirnfläche des Elektrolytrohrs 12 liegen und demzufolge gegen das keramische Zwischenstück 42 anliegen.

In dem Aufsatzstück 44 sind in einem gewissen Abstand vom rückwärtigen freien Ende des Aufsatzstückes 44 rundherum und in Abstand zueinander eine Vielzahl von Schlitzen, mit dem Bezugszeichen 46 gekennzeichnet, ausgebildet. Jeder dieser Schlitze 46 ist so ausgeformt, daß er aus zwei linearen und in Abstand zueinander stehenden Teilstücken, die sich parallel zur Längsachse des Aufsatzstücks 44 erstrecken, und einem in der Umfangslinie verlaufenden Teilstück besteht, das -die zwei linearen Teilstücke an ihren näher zum freien Ende des Aufsatzstücks 44 liegenden Enden verbindet. Eine Klaue 44c wird dadurch gebildet, daß der von jedem dieser Schlitze 46 auf drei Seiten umgrenzte Bereich nach innen gebogen wird. In das freie Ende des Aufsatzstückes 44 ist ein rohrförmiger Stopfen 5o aus einem elastischen und relativ hxtzebstandxgen Harz, wie z.B. einem Polytetrafluoräthylenharz, teilweise eingesetzt. Ein ummanteltes Leitungskabel 36, das als Anodenleiter für den Sauerstoffühler 1o dient, ist zusammen mit dem Kathodenleitungskabel 34 durch eine Bohrung im Stopfen 5o hindurchgeführt. Der Stopfen 5o ist so gestaltet, daß er eine Schulter auf der Außenseite aufweist, über welche Schulter das freie Ende des Aufsatzstückes 44 nach innen gebogen ist.

Die vorstehend beschriebenen Klauen 44c stützen die Stirnfläche

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des eingesetzten Stopfens 5o ab, so daß dieser Stopfen durch das Herumbiegen des rückwärtigen freien Endes des Aufsatzstückes 44 an diesem Aufsatzstück 44 befestigt ist. Die Spalte zwischen diesen Klauen 44c und dem unverformten Bereich des Aufsatzstückes 44 dienen als Lufteinlaßöffnungen für den Sauerstofffühler 1o. Das eingeführte Ende des Anodenleitungskabels 36 ist entmantelt und mit der Innenseite des Aufsatzstückes 44 durch eine mit dem Bezugszeichen 4o bezeichnete Schweiß- bzw. Lötstelle verbunden. Der Zwischenraum zwischen den Leitungskabeln 34 und und der Innenseite des Stopfens 5o ist mit einem üblichen Isoliermittel, wie z.B. Silicongummi, ausgefüllt.

Die Überlegenheit des Sauerstoffühlers 1o nach Fig. 1 wird durch einen Vergleich mit einem konventionellen Sauerstofffühler 6o, wie er in Fig. 4 dargestellt ist, und der auf dem gleichen Prinzip beruht, besser verständlich. Bei diesem Sauerstoff ühler 6o sind die grundlegenden Komponenten, wie z.B. das feste Elektrolytrohr 12, die Elektrodenschichten 14 und 16, die Metallhülse 18, die Metallrohre 24 und 26, die Dichtmittel 2o und 3o, und die Kupferringe 22 und 28 im wesentlichen identisch mit denen des Sauerstoffühlers 1o nach Fig. 1. Der Sauerstoffühler hat jedoch kein besonderes Element, das das offene Ende des Elektrolytrohrs 12 überdeckt und das Metallrohr 26 ist an seinem rückwärtigen, außerhalb des Elektrolytrohrs 12 liegenden Ende weder teilweise verformt noch geschlitzt, sondern weist auf der Außenseite dieses Bereichs ein Schraubengewinde auf. Das Kathodenleitungskabel 34 ist mit dem Metallrohr 26 mithilfe einer Anschlußklemme 62 verbunden, die gewöhnlich ohne Löten an dem Ende

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des Leitungskabels 34 befestigt ist und die durch zwei auf das Schraubengewinde des Metallrohrs 26 aufgesetzte Muttern 64 zwischen diesen Muttern festgehalten wird. Das Anodenleitungskabel, das in der Fig. 4 weggelassen wurde, ist mit der Metallhülse 18 entweder direkt oder indirekt verbunden.

Da das offene stirnseitige Ende des Elektrolytrohrs 12 des Sauerstoffühlers 6o mindestens teilweise der Atmosphäre ausgesetzt ist, besteht die Gefahr, daß dieses Elektrolytrohr 12 während des Betriebs des Sauerstoffühlers 1o, insbesondere in Kraftfahrzeugen, durch Bespritzen mit von außen kommendem Wasser zerspringt oder zerbricht. Außerdem beruht die Befestigung des Metallrohrs 26 an das Elektrolytrohr 12 (genauso gut wie dia Befestigung des Elektrolytrohrs 12 an die Metallhülse 18) lediglich auf den zwangsweise eingesetzten bzw. eingepreßten Metallringen 28, 28*. Da die Metallringe 28, 28' (ebenso wie die Metallringe 22, 22')dazu neigen, in ihrer Elastizität nachzulassen, wenn sie hohen Temperaturen und der Luft ausgesetzt sind, kommt es während des Betriebs des Sauerstoffühlers 6o zu einen Lösen der Reibungsverbindung zwischen dem Metallrohr 26 und der kathodischen Elektrodenschicht 16 auf der Innenseite des Elektrolytrohrs 12.

Bei dem Sauerstoffühler nach Fig. 1 ist das offene Ende des Elektrolytrohrs 12 dagegen vollständig durch das keramische Zwischenstück 42 abgedeckt, während dieses keramische Zwischenstück 42 durch das Aufsatzstück 44 und den Stopfen 5o gegen Angriffe durch Fremdeinflüsse, wie z.B. Wasser, geschützt ist.

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Demzufolge besteht für das Elektrolytrohr 12 keine Gefahr des
Zerspringens durch von außen eindringende Wasserspritzer. Außerdem ist das Aufsatzstück 44 so an der Metallhülse 18 befestigt,
daß es das keramische Zwischenstück 42 mithilfe des i-letallrings
28 ständig sowohl gegen das Elektrolytrohr 12 als auch gegen das Metallrohr 26 drückt. Dadurch besteht für den Metallring 28
nur eine geringe Möglichkeit, daß er in seiner Wirkung nachläßt, ebenso wie eine geringe Möglichkeit besteht, daß das Metallrohr in der Bohrung des Elektrolytrohrs 12 locker wird. Das Vorsehen
des Aufsatzstückes 44 und des Stopfens 5o weist zusammen nit der vorstehend beschriebenen Ausgestaltung des rückwärtigen Bereichs des Metallrohrs 26 den zusätzlichen Vorteil auf, daß die Leitunyskabel 34 und 36 sehr fest an den Sauerstoffühler 1o angeschlossen werden können und gegen Beschädigungen, welche z.B. von mechanischen Erschütterungen oder von Spritzwasser herrühren, geschützt sind.

Im Sauerstoffühler 1o der Fig. 1 kann das leitende
Dichtmittel 2o, das dicht in den ringförmigen Zwischenraum
zwischen der Metallhülse 18 und der anodischen Schicht 14 gepackt ist, sowie das leitende Dichtmittel 3o, das dicht zwischen das Metallrohr 26 und die kathodische Schicht 16 gepackt ist,
ein Gemisch aus einem pulverförmigen und hitzebständigen Material, das aus einem Aluminiumoxydpulver bestehen kann, und aus einem
Metallpulver, das aus Kupferpulver bestehen kann, sein, genauso wie es bei den konventionellen Sauerstoffühlern der Fall ist. Es wurde jedoch auch gefunden, daß die Abnahme in der elektrischen Leitfähigkeit des äußeren leitenden Dichtmittels 2o entsprechend

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dem Oxydationsgrad der leitenden Komponente des Dichtmittels 2o . während der langen Gebrauchsdauer des Sauerstoffühlers 1o ausgeschlossen werden kann durch die Verwendung eines mehrschichtigen Aufbaus, wie er nachstehend mit Bezug auf die Fig. 3 näher beschrieben werden soll.

Das äußere üichtmittel 2o mit mehrschichtigem Aufbau nach der vorliegenden Erfindung besteht aus mindestens einer ringförmigen hitzebeständigen Schicht 2oa aus einem hitzebeständigen und elektrisch nicht leitenden pulverförmigen Material und aus mindestens einer ringförmigen leitenden Schicht 2ob aus einem elektrisch leitenden pulverförmigen Material in einer abwechselnden und säulenförmigen /vnordnung und ohne daß eine Lücke zwischen diesen betreffenden Schichten 2oa und 2ob vorhanden wäre. Es gibt keine Beschränkung in der Gesamtzahl dieser beiden Arten von Schichten 2oa und 2ob_f solange diese beiden Arten gleichzeitig verwendet werden. Es ist notwendig, daß der vorderste Bereich (die linke Seite in der Zeichnung) des äußeren Dichtmittels 2o durch eine hitzebständige und nicht leitende Schicht 2oa gebildet wird. Es ist vorteilhaft, wenn die leitende Schicht 2ob zwischen den beiden hitzebeständigen Schichten 2oa eingepackt ist, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist, wobei es jedoch zulässig ist, daß der dazwischen angeordnete Metallring 22' zwischen den zv/ei benachbarten, jedoch verschiedenen Schichten 2oa und 2ob angeordnet ist. Sowohl die hitzebeständigen Schichten 2oa als auch die leitenden Schichten 2ob sind durch Einstampfen oder Zusammenpressen der betreffenden pulverförmigen Materialien in

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den ringförmigen Zwischenräumen hergestellt. Die hitzebeständigen Schichten 2oa und die leitenden Schichten 2ob können hinsichtlich ihrer Dicke entwender gleich oder verschieden voneinander sein.

Beispiele für bevorzugte Materialien für die hitzebeständige Schicht 2oa sind Aluminiuruoxyd, Magnesiuinoxyd, Talk und Kaolin, einschließlich ihrer verschiedenen Mischungen. Diese Materialien haben eine bevorzugte Teilchengröße , die in der Größenordnung von etwa 2 bis etwa 5o um liegt. Beispiele für bevorzugte Materialien für die leitende Schicht 2ob sind Graphit, das vorteilhafterweise mit einem anderen leitenden und/oder hitzebeständigen Pulver gemischt werden kann, Metal]^ wie z.b. Kupfer, Eisen und Nickel, halbleitende lletalloxyde, wie z.B. KiO, Ni₃O₃, CuO, ZnO, Fe₃O₃ und CoO, und oxydische Halbleiter mit perowskitischer Struktur, wie z.B. LaMO₃, das Mn, Cr, Co und/oder Ni in Form einer festen Lösung enthält. Diese leitenden pulverförmigen Materialien können einzeln, in verschiedenen Kombinationen oder als ein Gemisch nit irgendeinem der vorstehend beschriebenen hitzebständigen und nicht leitenden Materialien verwendet werden.

Da mindestens der vordere Bereich des äußeren Dichtmittels 2o (der während des Betriebs des Sauerstoffühlers 1o am höchsten erhitzt wird) von der hitzebeständigen Schicht 2oa eingenommen wird, ist bzw. sind die leitende(n) Schicht(en) 2ob wirksam gegen eine Oxydation geschützt. Selbst wenn Graphit als Material für die leitende Schicht 2ob verwendet wird, besteht keine Gefahr, daß dieses eingestampfte Graphit oxydiert wird und daß

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•das Volumen dieses eingestampften Graphits derart abnimmt, daß eine Verringerung der Dichteigenschaft des Dichtmittels eintreten würde. In der Praxis wird gewöhnlich Graphitpulver als Material für die leitende Schicht 2ob und ein Gemisch aus Aluminiuiaoxydpulver und Talk als Material für die hitzebeständige und nicht leitende Schicht 2oa verwendet. Die Güte des mehrschichtigen Aufbaus wird auch dann in einem für die Praxis genügenden Ausmaß erreicht, wenn das äußere Dichtmittel 2o nur aus einer einzigen hitzebeständigen Schicht 2oa, die den vordersten Eereich einnimmt, und aus nur einer einzigen leitenden Schicht 2ob besteht, wie dies in Fig. 5 dargestellt ist.

Das innen angeordnete Dichtmittel 3o r.iuß nicht unbedingt den vorstehend beschriebenen vielschichtigen Aufbau aufweisen, da diese dichtende Schicht 3o nicht unmittelbar dem Auspuffgas ausgesetzt ist. Es ist jedoch auch möglich, daß dieses innen angeordnete Dichtmittel 3o aus wechselweise angeordneten Schichten besteht, nämlich mindestens einer hitzebeständigen und nicht leitenden Schicht 3oa und mindestens einer leitenden Schicht 3ob, wie dies in Fig. 5 ganz ähnlich zu der Anordnung des äußeren Dichtmittels 2o beispielhaft dargestellt ist .

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Claims

Patentansprüche

1. Sauerstoffühler zum Bestimmen der Sauerstoffkonzentration in heißen Gasen, insbesondere in den Auspuffgasen eines Kraftfahrzeugverbrennungsitiotors, bestehend aus einem ionenleitenden festen Elektrolytrohr, das an seinem einen Ende geschlossen ist; ersten bzw. zweiten porösen Elektrodenschichten, mit welchen die äußere bzw. innere Oberfläche des Slektrolytrohrs überzogen ist; einer rohrförmigen Metallhülse, die in ihrem Inneren die Elektrodenschicht teilweise so umschließt, daß ein geschlossenes Endteil des Elektrolytrohrs aus dieser Metallhülse herausragt und daß die erste Elektrodenschicht stellenweise mit der Innenseite der Metallhülse in Kontakt ist; und aus einem Metallrohr, das in die Bohrung des Elektrolytrohrs eingesetzt ist und dort stellenweise mit der zweiten Elektrodenschicht in Kontakt ist und teilweise aus dem offenen Ende des Elektrolytrohrs herausragt, v/obei es sowohl als Leiter als auch als Leitungsrohr für die Zuführung von Luft als Bezugsgas in das Innere des Elektrolytrohrs dient, gekennzeichnet durch

a) ein rohrförmiges' Zwischenstück (42) aus einem

elektrisch nicht leitenden keramischen Material, das einen äußeren Durchmesser größer als das offene Ende des Elektrolytrohrs (12) und einen inneren Durchmesser kleiner als der des offenen Endes des Elektrolytrohrs (12), aber größer als der äußere Durchmesser des Metallrohrs (26.) aufweist und im wesentlichen koaxial zum Elektrolytrohr (12) derart angeordnet ist, daß die vordere Stirnfläche des keramischen Zwischenstücks (42) sich in Kontakt mit dem Elektrolytrohr (12) befindet und dessen offene Stirnfläche

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bedeckt, und durch

b) ein rohrförmiges metallisches Aufsatzstück (44), das so ausgebildet ist, daß es das keramische Zwischenstück (42) dicht umschließt und an seinem vorderen Endbereich so an der Metallhülse (18) befestigt ist, daß es ein Loslösen des keramischen Zwischenstücks (42) von der offenen Endfläche des Elektrolytrohrs (12) verhindert, wodurch es das offene Ende dieses Elektrolytrohrs (12) gegen den Zutritt von fremden Schadeinflüssen schützt.

2. Sauerstoffühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Aufsatzstück (44) an seinem vorderen Ende einen Flansch(44a) und auf seiner Innenseite an einer solchen Stelle in mittleren Bereich einen ringförmigen Wulst (44b) aufweist, daß dagegen das rückwärtige Ende des keramischen Zwischenstücks (42) abstützbar ist; daß außerdem ein metallischer Dichtring (48) vorgesehen ist, dessen innerer Durchmesser mit dem äußeren Durchmesser des Aufsatzstücks (44) im wesentlichen übereinstimmt und der konzentrisch auf der Außenseite dieses Aufsatzstückes (44) aufgesetzt ist; und daß der rückwärtige Endbereich (18a) dieser Metallhülse (18) so ausgebildet ist, daß dessen innerer Durchmesser größer ist als der äußere Durchmesser des Flansches (44a) und sich vom offenen Ende des Elektrolytrohrs (12) aus nach rückwärts erstreckt, wobei dieser rückwärtige Bereich (18a) der Metallhülse (18) nach innen gebogen ist und den Flansch (44a) zusammen mit dem dazwischen angeordneten und mit der Innenseite des umgebogenen Endes (18a) der Metallhülse (18) sowie mit der Außenseite des Aufsatzstücks (44)

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im Flanschbereich in Kontakt stehenden Dichtring (48) gegen das offene Ende des Elektrolytrohrs (12) drückt.

3. Sauerstoffühler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet/ daß dieser außerdem einen rohrförmigen Stopfen (5o) umfaßt, der auf seiner Außenseite eine Schulter aufweist und nur teilweise sowie dicht in den rückwärtigen Endbereich dieses Aufsatzstückes (44) eingesetzt ist, wobei durch eine Bohrung in diesem Stopfen (5o) Leitunqskabel (34, 36) für den Sauerstofffühler (1o) hindurchgeführt sind und wobei dieses Aufsatzstück (44) an seinem rückwärtigen Ende nach innen gebogen ist, um die Schulter des Stopfens (5o) zu halten, und eine Vielzahl von Klauen (44c) aufweist, die zwischen dem Wulst (44b) und dem genannten rückwärtigen Ende auf der Innenseite rundherum angeordnet sind und sich gegen die eine Stirnfläche des eingesetzten Stopfens (5o) abstützen, wobei jede dieser Klauen (44c) durch Herstellen eines gekurvten Schlitzes in diesem Aufsatzstück (44) und Nachinnenbiegen des von diesem Schlitz umrissenen Bereiches hergestellt ist.

4. Sauerstoffühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallrohr (26) in seinem rückwärtigen, aus dem Elektrolytrohr (12) herausragenden Bereich in einem gewissen Abstand von seinem rückwärtigen Ende einen Schlitz (32) aufweist, so daß eines (34) der Leitungskabel

.(34, 36) für den Sauerstoffühler (1o) mit der zweiten Elektrodenschicht (16) durch einfaches Einschieben des Leitungskabels (34) in den rückwärtigen Bereich dieses Metallrohrs (26) und

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durch Zusammendrücken des zwischen dem Schlitz (32) und dem rückwärtigen Ende verbleibenden kreisrunden Bereichs dieses Metallrohrs (26) verbunden werdnn kann, indem das Leitungskabel (34) von der Außenseite der Ummantelung her zusammengequetscht und zwischen dem eingesetzten Ende des Leitungskabels (34) und dem Metallrohr (26) durch den Schlitz (32) hindurch eine metallische Verbindung hergestellt wird.

5. Sauerstoffühler nach einen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektrolytrohr (12) die Metallhülse (18) bzw. das Metallrohr (26) so ausgebildet ist, daß ein äußerer ringförmiger Zwischenraum zwischen der Innenseite der Metallhülse (18) und der ersten Elektrodenschicht (14) um den hintersten Bereich des Elektrolytrohrs (12) nahe dessen offenen Ende gebildet wird, während ein innerer ringförmiger Zwischenraum zwischen der Außenseite des Metallrohrs (26) und der zweiten Elektrodenschicht (16) innerhalb des hintersten Bereichs des Elektrolytrohrs (12) nahe dessen offenen Ende gebildet wird, und daß der Sauerstoffühler (1o) außerdem einen ersten, im hintersten Bereich .des äußeren ringförmigen Zwischenraums dicht eingesetzten Haltering (22) aus Metall sowie einen zweiten, im hintersten Bereich des inneren ringförmigen Zwischenraums dicht eingesetzten Haltering (28) aus Metall unfaßt.

6. Sauerstoffühler nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch ein pulverförmiges Dichtmittel (2o), das in den äußeren ringförmigen Zwischenraum dicht eingepackt ist und in aufeinanderfolgender Anordnung aus mindestens einer hitzebeständigen

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und ringförmigen Schicht aus einem hitzebeständigen und elektrisch nicht leitenden Material und aus mindestens einer leitenden und ringförmigen Schicht aus einem elektrisch leitenden Material besteht, wobei der vorderste Bereich dieses äußeren ringförmigen Zwischenraums, der am nächsten zum geschlossenen Ende des Elektrolytrohrs (12) angeordnet ist, durch die hitzebeständige und ringförmige Schicht eingenommen wird.

7. Sauerstoffühler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das hitzebeständige und elektrisch nicht leitende Material aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Aluminiumoxyd, Magnesiumoxyd, Talk und Kaolin, einschließlich deren Gemische, besteht, während das elektrisch leitende Material aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Graphit, einem Metall und einem halbleitenden Metalloxyd, einschließlich deren Gemisch^ besteht.

8. Sauerstoffühler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch leitende Material außerdem das hitzebeständige und elektrisch nicht leitende Material enthält.

9. Sauerstoffühler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das als elektrisch leitendes Material verwendete Metall aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Kupfer, Eisen und Nickel besteht.

1o. Sauerstoffühler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das halbleitende Metalloxyd aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus NiO, Ni₂O₃, CuO, ZnO, Fe₃O₃ , CoO und

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einem halbleitenden Oxyd mit perowskitischer Struktur besteht.

11. Sauerstoffühler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die hitzebeständige Schicht aus einem Geraisch aus Aluminiumoxyd und Talk besteht, während die leitende Schicht aus Graphit besteht.

12. Sauerstoffühler nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtmittel aus zwei Schichten der genannten hitzebeständigen Schicht und aus einer Schicht der genannten leitenden Schicht besteht.

13. Sauerstoffühler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der innere ringförmige Zwischenraum ebenfalls mit dem genannten pulverförmigen Dichtinittel gefüllt ist.

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