DE2729475A1

DE2729475A1 - Elektrochemischer messfuehler fuer die bestimmung des sauerstoffgehaltes in abgasen, insbesondere in abgasen von verbrennungsmotoren

Info

Publication number: DE2729475A1
Application number: DE19772729475
Authority: DE
Inventors: Ernst Dipl Ing Linder; Helmut Maurer; Franz Rieger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1977-06-30
Filing date: 1977-06-30
Publication date: 1979-01-11
Also published as: FR2396292A1; FR2396292B1; US4155827A; BR7804139A; JPS5413396A

Description

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Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem elektrochemischen Meßfühler nach der Gattung des Hauptanspruchs; ein solcher Meßfühler ist bekannt aus der DT-OS 2 3O7 451» er besitzt jedoch kein aus vorstehend genannten Gründen erwünschtes Heizelement. Aus der US-PS 3 546 086 ist auch schon ein elektrochemischer Meßfühler bekannt, der im Innenraum seines einseitig geschlossenen Festelektrolytrohres ein Heizelement aufweist; Nachteil dieser Ausführungsform ist jedoch, daß die im Innenraum befindliche Elektrode bzw. Leiterbahn ein teures Beschichten der Innenseite des Festelektrolytrohres erfordert.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Meßfühler mit dem kennzeichnenden Merkmal des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß die Mittelelektrode gemeinsam mit dem Heizelement eine kompakte Baugruppe bildet; diese Baugruppe ist sehr vorteilhaft hinsichtlich ihrer Montagemöglichkeit und auch hinsichtlich ihrer Kosten.

Die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen bilden den im Hauptanspruch angegebenen Meßfühler vorteilhaft weiter; besonders vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aufgrund der bifilaren Anordnung des Heizelementes, das wendelförmig um den Elektroisolierkörper der Mittelelektrode verläuft.

Zeichnung

Drei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 einen im Längsschnitt dargestellten elektrochemischen Meßfühler mit einpoligem Heizelementanschluß in vergrößertem Maßstab; Figur 2 einen im Längsschnitt darge-

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stellten elektrochemischen Meßfühler mit zweipoligem Heizelementanschluß in vergrößertem Maßstab; Figur 3 einen im Längsschnitt dargestellten elektrochemischen Meßfühler, dessen Mittelelektroden-Elektroisolierkörper Leiterbahnen als elektrische Leiter aufweist und gleichzeitig als Anschlußteil dient, in vergrößertem Maßstab, und Figur 4 eine Draufsicht auf den Mittelelektroden-Elektroisolierkörper nach Figur 3.

Beschreibung der Erfindung

Der in der Figur 1 dargestellte elektrochemische Meßfühler besitzt ein einseitig geschlossenes Festelektrolytrohr 11, dessen Außenseite dem Abgas des Verbrennungsmotors ausgesetzt ist und mit einer katalytisch wirksamen elektronenleitenden Schicht (nicht dargestellt) versehen ist. Der dem Abgas abgewendete Endabschnitt des Festelektrolytrohres 11 ist in einem metallischen Gehäuse 12 gehalten und unter Zuhilfenahme einer Kontaktpackung 13, eines Isolierringes I¹I, eines metallischen Zwischenringes 15, einer Führungsbuchse 16 und eines Druckringes 17 abdichtend ins Gehäuse eingebördelt. Zwischen dem Zwischenring 15 und der Führungsbuchse 16 ist zusä zlictr tier Flansch 18 einer Schutzhülse 19 und der Masseanschluß 20 des Heizelementes 21 mit eingefügt. Die Schutzhülse 19 besitzt einige öffnungen 19', die der Umgebungsluft den Eintritt in den Meßfühler 10 ermöglichen. Das Meßfühler-Gehäuse 12 hat an seiner Außenseite ein Schlüsselsechskant 22 und ein Einschraubgewinde 23 zum Einbau des Meßfühlers 10 in ein nicht dargestelltes Abgasrohr eines Verbrennungsmotors; außerdem ist am Gehäuse 12 ein Schutzrohr 2k befestigt, das den dem Abgas zugewendeten Abschnitt des Festelektrolytrohres 11 mit Abstand umgibt und Schlitze 25 aufweist, die dem Abgas den gesteuerten Zutritt zum Festelektrolytrohr erlauben. Die Schutzhülse 19, die das Gehäuse 12 anschlußseits koaxial verlängert, weist einen nach innen gezogenen Rand 26 auf, an dem sich ein Isolierkörper 27 abstützt: Dieser Iso-

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lierkörper 27 ragt sowohl aus der Schutzhülse 19 heraus als auch in den von der Schutzhülse 19 gebildeten Raum hinein und besitzt eine abgesetzte Längsbohrung 28 mit einer Schulter 29. An dieser Schulter 29 des Isolierkörpers 27 liegt der Plansch 30 eines aus dem Isolierkörper 27 hervorragenden Messerkontakts 31 als positiver Anschluß des Meßfühlers 10 an. In diesem Isolierkörper 27 verläuft eine weitere Längsbohrung, die mit Bezugszeichen 32 bezeichnet ist und zur Führung des positiven Anschlusses 33 eines Heizelementes 21 vorgesehen ist. Der anschlußseitige Endabschnitt dieses Isolierkörpers 27 ist zu einem kleinen Kopf 34 erweitert, der eine Raste 35 für einen Anschlußstecker aufweist und dessen Kragennut 36 einen Kontaktring 37 trägt, an dem der positive Anschluß 33 des Heizelementes 21 befestigt ist. Im Innenraum 38 des Festelektrolytrohres 11 befindet sich die Mittelelektrode 39', diese Mittelelektrode 39 setzt sich aus einem rohrförmigen Elektroisolierkörper 40 und einem elektrischen Leiter 4l zusammen, der mit seinem einen Ende auf dem Boden 42 des Festelektrolytrohres 11 fest aufsteht. Der elektrische Leiter 4l ist im vorliegenden Beispiel eine Leiterbahn, die sich innerhalb des Elektroisolierkorpers 40 und auch über die beiden Stirnflächen 43 und 44 des Elektroisolierkorpers ΊΟ erstreckt; anstelle eines rohrförmigen Elektroisolierkorpers ¹JO mit einem in dessen Längsbohrung befindlicher Leiterbahn als elektrischer Leiter 4l kann auch ein stabförmiger Elektroisolierkörper Verwendung finden, der eine Längsnut besitzt, in welcher ein elektrischer Leiter kl entlangführt. Als weitere Alternative ist wiederum ein rohr- oder stabförmiger Elektroisolierkörper 40 möglich, in dessen Längsbohrung ein rohrförmiger elektrischer Leiter 41 eingebracht ist. Mindestens derjenige Bereich des Pestelektrolytrohr-Bodens 42, der von der Stirnfläche 44 des elektrischen Leiters 41 berührt wird, ist mit einer nicht dargestellten, möglichst porösen Platinschicht bedeckt. Über den anschlußseitigeη Endabschnitt der Mittelelektrode 39 greift ein metallischer Nippel 45, der eine Durchgangsbohrung 46 hat

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und dem sich eine Druckfeder 47 anschließt, welche sich andererseits am Messerkontakt-Flansch 30 unter Vorspannung abstützt und auf einem Ansatz 48 fixiert ist.

Der Elektroisolierkörper 40 der Mittelelektrode 39 trägt auf seiner Außenseite im Bereich des abgasseitigen Abschnitts des Festelektrolytrohres 11 das Heizelement 21, das von einem bifilar geformten Widerstandsdraht gebildet wird. Dieser Widerstandsdraht ist wendelförmig in nicht bezeichneten Nuten des Elektroisolierkörpers 40 geführt und endet vor dem Kontaktbereich zwischen dem Festelektrolytrohr-Boden 42 mit dem elektrischen Leiter 41; das Heizelement 21 ist mit der positiven Anschlußleitung 33 und der Masseanschlußleitung 20 einteilig hergestellt. Die Mittelelektrode 31 und das Heizelement 21 bilden somit eine montierungsfreundliche, kompakte und für eine Serienfertigung besonders gut geeignete Baueinheit. - Das Festelektrolytrohr 11 besteht beispielsweise aus Zirkon-Dioxyd und kann auf seiner dem Abgas zugewendeten Außenseite außer der katalytisch wirksamen elektronenleitenden Schicht sonstige Schichten tragen, die im Zusammenhang mit dieser Erfindung jedoch nicht für sich beansprucht werden.

In der Figur 2 ist ein elektrochemischer Meßfühler 10' dargestellt, der dem Meßfühler nach Figur 1 ähnelt, sich jedoch dadurch von ihm unterscheidet, daß sich der elektrische Leiter 49 seiner Mittelelektrode 50 vom Festelektrolytrohr-Boden 42 bis zum Messerkontakt 31' erstreckt und daß die Masseanschlußleitung 51 durch eine zweite Längsbohrung 52 im Isolierkörper 27' bis an einen Anschlußkontakt 37' verläuft. Dieser elektrische Leiter 49 ist stabförmig ausgebildet, läuft ohne jegliche Unterteilung durch den gesamten Meßfühler 10' und hat einen Kopf 53 mit einem nicht besonders dargestellten Edelmetallplättchen (z.B. Silber), mit dem er am Festelektrolytrohr-Boden 42 aufliegt. Auf der ringförmigen Rückseite dieses Mittelelektroden-Kopfes 53 steht der Elektroisolierkörper 40 mit seiner Stirnfläche 44 auf, während er mit seiner anderen Stirnfläche 43 an einer ringförmigen Druckscheibe 54 anliegt; diese

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Druckscheibe 54, die vorzugsweise aus Keramik besteht, bildet die Auflagefläche einer unter Vorspannung stehenden Druckfeder 47¹J die sich mit ihrem anderen Endabschnitt auf der Schulter 29' in der Isolator-Längsbohrung 28' abstützt. - Der unterbrechungslos durch den Meßfühler 10' geführte Mittelelektroden-Leiter 49 bewirkt eine sehr funktionssichere Führung des positiven Anschlusses des Meßfühlers 10'. Das Heizelement 21 ist auch bei diesem Meßfühler 10' bifilar um den Elektroisolierkörper 40 gewickelt.

In der Figur 3 ist ein Meßfühler 10" dargestellt, der sich durch einen besonders einfachen und kostengünstigen Aufbau auszeichnet und darüber hinaus hervorragend für eine Serienfertigung geeignet ist. Der Aufbau und die Anordnung von Gehäuse 12, Festelektrolytrohr 11, Schutzhülse 19, Schutzrohr 24 und den Abdichtmitteln für das Festelektrolytrohr 11 im Gehäuse 12 entsprechen im wesentlichen denen gemäß dem Meßfühler 10' in Figur 2; das Festelektrolytrohr 11 weist an seinem anschlußseitigen Endabschnitt zusätzlich eine Erweiterung 55 seines Festelektrolyt rohr- Innenraumes 38' auf. In diesen Festelektrolytrohr-Innenraum 38' ragt ein Elektroisolierkörper 56, der mit seinem einen Endabchnitt auf dem Festelektrolytroiir-Boden 42 aufsteht und sich an seinem anschlußseitigen Endabschnitt zu einem Kopf 57 erweitert, wobei mit Abstand von der Stirnfläche 58 des Kopfes 57 noch ein Flansch 59 mit an den Elektroisolierkörper 56 angeformt ist; der Außendurchmesser dieses Flansches 59 ist etwas geringer als der Innendurchmesser der Schutzhülse 19 und dient als Führung des Elektroisolierkörpers 56. Dieser Flansch 59 läuft abgasseits in einem Führungstexl 60 aus, mit dem er in die Innenraum-Erweiterung 55 des Festelektrolytrohres 11 hineinragt. Auf der anschlußseitigen Schulter 61 des Flansches 59 liegt ein Druckring 62 auf, an dem der eine Endabschnitt einer unter Vorspannung stehende Druckfeder 63 anliegt, die sich mit ihrem anderen Endabschnitt am Schutzhülsen-Rand 26 abstützt; der von dieser Druckfeder 63 erzeugte Druck wird

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somit auf den gesamten Elektroisolierkörper 56 übertragen. Der sich aus dem Kopf 57, dem Plansch 59 und dem Führungsteil 60 zusammensetzende Bereich des Elektroisolierkörpers 56 ist an seiner Außenseite mit drei Längsnuten 64, 65 und 66 versehen: Die Längsnute 6¹I dient zur Aufnahme einer Leiterbahn 67 für den positiven Anschluß des Meßfühlers 10", die Längsnute 65 nimmt eine Leiterbahn 68 für den positiven Anschluß des Heizelementes 21' auf und die Längsnut 66 nimmt eine Leiterbahn 69 für den negativen Anschluß des Heizelementes 21' auf; diese drei Leiterbahnen 67, 68 und 69 verlaufen im genannten Bereich in Längsrichtung des Meßfühlers 10" und ragen auch noch über den Führungsteil 60 des Elektroisolierkörpers 57 hinaus, und zwar bis zum mit A bezeichneten Bereich des Elektroisolierkörpers 56, der dem abgasseitigen Abschnitt des Festelektrolytrohres 11 naheliegt. Dieser Abschnitt A ist von den Leiterbahnen 67, 68 und 69 wendelförmig mehrmals umschlungen, und zwar derart, daß sich diese Leiterbahnen 67, 68 und 69 nicht gegenseitig berühren und parallel zueinander verlaufen. Während die beiden Leiterbahnen 68 und 69 für das Heizelement 21' nicht ganz bis zur Endfläche 70 des Elektroisolierkörpers 56 reichen und an ihren abgasseitigen Endabschnitten elektrisch miteinander verbunden sind, bedeckt der diesseitige Endabschnitt der Leiterbahn 67 die ElektroisolierkörperaEndfläche 70 und liegt damit bzw. mit einer darauf noch aufgebrachten, nicht besonders dargestellten Edelmetallschicht (Platin) am Festelektrolytrohr-Boden lJ2 an. Die Leiterbahnen 68 und 69 für das Heizelement 21' verlaufen auch bei diesem Meßfühler 10" bifilar zueinander; als Material für die Leiterbahnen 67, 68 und 69 kann beispielsweise ein Palladium-Glas-Gemisch dienen. Die Herstellung dieser drei in diesem Bereich parallel zueinander verlaufenden Leiterbahnen 67, 68 und 69 erfolgt beispielsweise derart, daß zunächst der mit A bezeichnete Bereich des Elektroisolierkörpers 56 mit dem Palladium-Glas-Gemisch vollständig beschichtet wird und dann die zwischen den Leiterbahnen 67> 68 und 69 erforderlichen Isolierbereiche herausgeschliffen werden.

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Die Endabschnitte der Leiterbahnen 67, 68 und 69 im Bereich des Elektroisolierkörper-Kopfes 57 bilden zugleich nicht extra mit Bezugszeichen versehene Anschlußkontakte des Meßfühlers 10". Ein Anschlußstecker 71 mit eingeformten Kontaktfedern 72 ist strichpunktiert angedeutet.

Es sei erwähnt, daß die durch die Eintrittslöcher 19' durch die Schutzhülse 19 eintretende Luft durch den im Führungsteil 60 befindlichen Abschnitt der Längsnuten 6k, 65 und 66 und dann weiter durch einen zwischen dem Elektroisolierkorper 59 und dem Festelektrolytrohr 11 belassenen, nicht besonders bezeichneten Spalt an die Berührungsstelle von Festelektrolytrohr-Boden 42 und Leiterbahn 67 gelangen kann. Hingewiesen sei außerdem darauf, daß der elektrische Widerstand des Heizelementes 21' während des SchleifVorganges überwacht und eingestellt werden kann.

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Leerseite

Claims

R. 3985 '

26.5.1977 Zr/Kö

ROBERT BOSCH GMBH, 7OOO Stuttgart 1

Ansprüche

1J\ Elektrochemischer Meßfühler für die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Abgasen, insbesondere in Abgasen von Verbrennungsmotoren, mit einem ionenleitenden, einseitig mit einem Boden versehenen Festelektrolytrohr, dessen Außenseite eine elektronenleitende Katalysatorschicht aufweist, die elektrisch mit Masse in Verbindung steht und nur den Abgasen zugewendet ist und dessen Innenseite der Umgebungsluft ausgesetzt ist und im Bereich seines Bodens eine elektrisch leitfähige Kontaktfläche besitzt, mit der eine durch den Innenraum des Pestelektrolytrohres verlaufende Mittelelektrode in Berührung steht, die mittels einer sich am Meßfühler-Gehäuse direkt oder indirekt abstützenden Druckfeder auf die Kontaktfläche des Pestelektrolytrohr-Bodens gedrückt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein zur Mittelelektrode (39, 50) gehörender Elektroisolierkörper (Ί0, 57) auf seiner Außenseite ein Heizelement (21, 21') trägt, das zumindest dem abgasseitigen Abschnitt des Pestelektrolytrohres (11) naheliegt und dessen Anschlußleitungen (20, 33; 51; 68, 69) aus dem Innenraum (38) des Pestelektrolytrohres (11) herausgeführt sind.

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2. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Heiaelement (21, 21') ein bifilar um den Elektroisolierkörper (¹IO, 56) angeordneter Widerstandsdraht ist.
3. Meßfühler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Mittelelektroden-Leiter (67) mindestens teilweise parallel zu den beiden Gliedern (68, 69) des bifilar angeordneten Heizelementes (21¹) verläuft.
4. Meßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Mittelelektroden-Leiter (41) und/oder das Heizelement (21, 21') mindestens teilweise in Nuten (64, 65, 66) des Elektroisolierkörpers (40, 56) verlaufen.
5. Meßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Mittelelektroden-Leiter (41, 67) und/oder das Heizelement (21; 68, 69) als Leiterbahnen ausgebildet sind.
6. Meßfühler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die anschlußseitigen Endabschnitte der Leiterbahnen (67, 68, 69) an dem Kopf (57) des Mittelelektroden-Elektroisolierkörpers (56) Anschlußkontakte des Meßfühlers (10") bilden.

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