DE2811066C3 - Sauerstoff-Meßfühler - Google Patents

Description

Ende eines aus elektrisch leitendem und wärmebeständigem Metall bestehenden Schutzrohres 9 angebracht Auf einem Flansch 9a an dem Ende des Schutzrohres 9 sind ein Abstandsring 10 aus elektrisch leitendem Metall und ein Dichtring 11 angeordnet, die das bei dem Dichtring 11 nach innen gebogene obere Ende des Gehäuses 5 derart abdichten und verkeilen, daß das Gehäuse 5 an dem Festelektrolyten 1 und das Ende des Schutzrohres 9 an dem Gehäuse 5 fest angebracht sind. An dem Gehäuse 5 ist ein Flansch 12 befestigt, über den to das Gehäuse 5 an einer (nicht dargestellten) Abgasleitung befestigt werden kann. Das Bezugszeichen 13 bezeichnet ein aus elektrisch leitendem Material hergestelltes Rohr, das eine mittige Bohrung 13a besitzt und über elektrisch leitendes Graphit 14 an der '5 Innenseite des Festelektrolyten 1 befestigt ist. An dem Oberteil des Rohres 13 ist ein Rohr 15 aus elektrisch leitendem Metall durch Anschweißen eines Flansches 15a angebracht, das eine mittige Bohrung 15Z> aufweist. An dem anderen Ende des Schuizrohres 9 ist ein Isolator 16 aus Aluminiumoxid befestigt, vobei zwischen einer an einem Ende des Isolators 16 ausgebildeten Ausnehmung 16a und dem Flansch 15a des Rohres 15 eine Feder 17 gelagert ist. Durch die Stellkraft der Feder 17 wird das Rohr 13 zum Festelektroylten 1 hingedrückt, so daß es stabil befestigt ist. Die Bezugszahl '.8 bezeichnet ein wärmebeständiges, wasserdichtes und flexibles Rohr aus Silikonkautschuk, das auf das andere Ende des Schutzrohres 9 aufgepaßt und daran mit einem Abdichtteil 19 wasserdicht ^o befestigt ist. Das Bezügszeichen 20 bezeichnet eine Zuleitung bzw. einen Zuleitungsdraht, der an einen Anschluß 23 aus elektrisch leitendem Metall angeschweißt ist, welcher wiederum an das Rohr 15 angeschweißt ist. Die Zuleitung 20 ist wasserdicht in dem flexiblen Rohr 18 angeordnet und elektrisch mit einem Anschluß 21 verbunden, der wiederum mit einer nicht dargestellten Steuerschaltung in Verbindung steht.

Fjneöff'ung 18a des flexiblen Rohres 18 ist nahe dem Anschluß 21 angeordnet. Das flexible Rohr 18 führt hierbei zum Beispiel durch den Boden eines Kraftfahrzeugs in dessen Fahrgastraum bzw. Innenraum, wobei die öffnung 18a in diesen mündet. Das Bezugszeichen 22 bezeichnet ein Schutzrohr mit einer Anzahl von Löchern 22a. das außen am "estelektrolyten 1 angeordnet und an dem Unterteil des Gehäuses 5 befestigt ist. Die Innenelektrode 2 des Festelektrolyten 1 ist elektrisch über das Rohr 13, das Rohr 15 und die Zuleitung 20 mit dem Abschluß 21 verbunden, während die Außenelektrode 3 über das Graphit und die Ringe 7 und 8 elektrisch mit dem Gehäuse 5 und dem Schutzrohr 9 verbunden ist.

Nachstehend wird die Wirkungsweise des vorstehend beschriebenen Sauerstoff-Meßfühlers näher erläutert:

Die Innenseite des Festelektrolyten 1. auf der die Innenelektrode 2 ausgebildet ist, steht über die öffnung 18.7 des flexiblen Rohres 18, den Zwischenraum zwischen der Zuleitung 20 und dem flexiblen Rohr 18, die Bohrung 156des Rohres 15 und die Bohrung Hades Rohres mit dem Fährgästraum bzw. Innenraum des Kraftfahrzeugs und damit mit der Atmosphäre ungehindert in Verbindung. Da die öffnung 18a des flexiblen Rohres 18 an einer Stelle angeordnet ist, die selbst dann nicht feucht wird, wenn der Sauerstoff-Meßfühlär selbst feucht ist, nämlich im Fahrgastraum einas Kraftfahrzeuges, kann kein Wasser bzw. keine Feuchtigkeit durch die öffnung 18a des flexiblen Rohres 18 zur Innenseite des Festelektrolyten 1 gelangen. Da das flexible Rohr 18 außerdem wärmebeständig und wasserdicht ist, kann kein Wasser das Rohr 18 durchdringen. Da ferner das Schutzrohr 9 aus Metall besteht und mit einem Ende über den Abstandsring 10 sowie den Dichtring 11 an dem Gehäuse 5 und mit dem anderen Ende an dem Isolator 16 wasserdicht befestigt ist, kann kein Wasser zur Innenseite des Festelektrolyten 1 gelangen. Das Schutzrohr 9 wirkt daher in ähnlicher Weise wie das wasserdichte Rohr 18.

Obwohl das flexible Rohr 18 gemäß vorstehender Beschreibung durch das Abdichtteil 19 unter Druckverformung an dem Isolator 16 fest angebracht ist, kann es auch abnehmbar montiert sein.

Weiterhin kann anstelle der über den Anschluß 23 erfolgenden elektrischen Verbindu"f; der Zuleitung 20 mit dem Rohr 15 das Rohr 15 aucr· entfallen und eine direkte elektrische Verbindung der Zuleitung 20 mit dem Rohr 13 vorgenommen werden.

Darüber hinaus kann auch der Abschnitt des relativ langen Rohres 15, der sich von der Ausnehmung 16a des ,Isolators 16 bis zu dem Flansch 15a erstreckt, entfallen, wobei in diesem Faüe dann das Oberteil des Rohres 13 axial zu verlängern, auf dem Rohr 15 ein Flansch auszubilden und in die Ausnehmung 16a des Isolators 16 einzupassen und eine Feder elastisch zwischen dem Flansch und dem verlängerten Oberteil des Rohres 13 anzubringen sind.

Wenn das Abgas keine relativ hohe Temperatur, wie beispielsweise das Abgas der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, sondern eine relativ niedrige Temperatur aufweist, kann ferner auch das Schutzrohr 9 entfallen. In diesem Fall kann das Rohr 18 bis zu dem Oberteil des Festelektrolyten 1 verlängert i-nd auf dieses aufgepaßt werden.

Auch kann die Öffnung 18a des flexiblen Rohres 18, di~ bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel in dem trockenen Fahrgastraum des Kraftfahrzeuges feuchtigkeitsgeschützt angeordnet ist stattdessen an einer stets trockenen Stelle innerhalb des Motorraums angeordnet sein.

Außerdem können anstelle der Verwendung von Platin für die Innenelektrode 2 und die Außenelektrode 3 auch andere Metalle mit katalytischer Wirkung, wie zum Beispiel Pd, Au. Ru, Ag oder eine Legierung derselben Verwendung finden.

Ferner kann der Festelektrolyt anstelle der vorstehend beschriebenen Becherform auch eine plattenformige oder rohrförmige Ausbildung aufweisen.

Die Anwendung der Erfindung ist im übrigen nicht auf die vorstehend beschriebene Erfassung der Sauerstoffkonzentration in den Abgasen einer Brennkraftmaschine zur Feststellung des Brennstoff/Luftverhältnisses des einer Brennkraftmaschine /ugeführten Brennstoff Luftgemisches beschränkt, sondern kann allgemein zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration von Verbrennungsprodukten einer Verbrennungseinriehtung, wie z. B, eines Gebläses oder Hochofen? oder eines Heizkessels usw., beispielsweise zwecks Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades einer solchen Verbrennungseinrichtu.ig dienen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche: 28 Ii 066

1. Sauerstoff-Meßfühler zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration in dem Abgas einer Verbrennungseinrichtung, mit einem Sauerstoffionen leitenden Metalloxid-Festelektrolyten in Becher-, Rohr- oder Plattenform, dessen Innenseite der Atmosphäre und dessen Außenseite dem Abgas zur Erzeugung einer der Sauerstoffkonzentrationsdifferenz zwischen der Atmosphäre und dem Abgas entsprechenden EMK zwischen einer Innenelektrode und einer Außenelektrode ausgesetzt sind, und mit einer Schutzeinrichtung zur Verhinderung des Eindringens von Feuchtigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzeinrichtung (9, 13,15,16,18) ein Schutzrohr (9) aus wärmebeständigem Metall, dessen eines Ende mit dem der Innenseite zugewandten offenen Ende des Festelektrolyten (1) verbunden ist, einen innerhalb des Schutzrohr^ (9) angeordneten und mit dessen anderem Ende fest verbundenen rohrförmigen elektrischen Isolator (16), ein zur Verbindung der Innenseite des Festelektrolyten mit der Außenseite des Schutzrohres durch eine Bohrung des rohrförmigen Isolators (16) hindurchgeführtes und von diesem gehaltenes Rohr (15) aus elektrisch leitendem Metall, dessen eines Ende innerhalb des Schutzrohres (9) angeordnet und elektrisch mit der Innenelektrode (2) des Festelektrolyten verbunden ist und dessen anderes Ende aus dem rohrförmigen Isolator (16) herausragt, und ein flexibles Rohr (18) aus wärmebeständigem imd wr-serdichtem Material aufweist, dessen eines Ende mit dem den Isolator (16) enthaltenden Ende de' Schutzrohres (9) verbunden ist und dessen anderes Ende mit der Atmosphäre in Verbindung steht und in feuchtigkeitsgeschützter Lage derart angeordnet ist, daß eine Verbindung zwischen der Innenseite des Festelektrolyten und der Atmosphäre über das flexible Rohr (18) und das Rohr (15) hergestellt ist.

2. Sauerstoff-Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit einer mittigen Bohrung {13a) versehenes weiteres Rohr (13) aus elektrisch leitendem Metall an dem offenen Ende des Festelektrolyten (1) angebracht und elektrisch mit der Innenelektrode (2) verbunden ist und daß eine Feder (17) innerhalb des Schutzrohres (9) an dem weiteren Rohr(13) angeordnet ist und es in Richtung des Festelektrolyten vorspannt, und daß die Innenseite des Festelektrolyten über die mittige Bohrung (13a) des weiteren Rohres (13), das Rohr (15) und das flexible Rohr (18) mit der Atmosphäre in Verbindung steht.

Die Erfindung betrifft einen Sauerstoff-Meßfühler gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs I.

Ein solcher Sauerstoff Meßfühler, der häufig zur Feststellung der Sauerstoffkonzentration in den Abgasen von Brennkraftmaschinen für Kraftfahrzeuge zwecks Regelung des einer Brennkraftmaschine zuge^ führten Brennstoff/Luftgemisches Verwendet wird, ist aufgrund der meist sehr hohen Abgastemperaturen extremen Betriebsbcindungen ausgesetzt. Insbesondere wenn die der Atmosphäre ausgesetzte Innenseite des Festelektrolyten mit Wasser, zum Beispiel Spritz- oder Regenwasser, in Berührung gelangt, besteht aufgrund der hohen Betriebstemperatur die Gefahr eines Platzens oder Brechens des Festelektrolyten sowie des Auftretens von Kurzschlüssen oder Isolationsdefekten, was gewöhnlich den Ausfall des Sauerstoff-Meßfühlers nach sich zieht

Aus der DE-OS 26 45 573 ist bereits ein Sauerstoff-Meßfühler der vorstehend genannten Art bekijint, bei dem eine Schutzeinrichtung in Form von als Dichtmittel wirkenden Zwischenstücken vorgesehen ist, die die Einwirkung äußerer Schadeinflüsse verhindern und insbesondere die elektrische Zuleitung wasserdicht abschließen sollen.

Da die Innenseite des Festelektrolyten bei einem solchen Sauerstoff-Meßfühler jedoch stets mit der Atmosphäre in Verbindung stehen muß und insofern eine vollständige Abdichtung auf diese Weise ohnehin nicht möglich ist, läßt sich hierdurch nur ein Kompromiß zwischen einem weiterhin luftdurchlässigen, jedoch lediglich in einem gewissen Ausmaß wasserdichten Abschluß erzielen, der angesichts der extremen Betriebsbedindungen nicht vollständig zu befriedigen vermag. Darüber hinaus sind hierzu eine Anzahl exakt aufeinander abgestimmter Paßteile erforderlich, die die Herstellung verteuern und aufgrund der hohen Betriebstemperaturen dner rasch fortschreitenden Alterung unterliegen, die ihre Funktionszuverlässigkeit beeinträchtigt

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Sauerstoff-Meßfühler der voi stehend genannten Art dahingehend auszugestalten, daß ein vollständiger Feuchtigkeitsschutz für den Festelektrolyten ohne Beeinträchtigung der erforderlichen Verbindung zur Atmosphäre gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Mitteln gelöst.

Durch die mit einfach herzustellenden und auch bei extremen Betriebsbedingungen einen zuverlässigen Schutz gewährleistenden rohrartigen Elementen erfolgende Verbindung der Innenseite d?s FesteL'ktrolyten mit zum Beispiel dem stets trockenen Innenraum eines Kraftfahrzeuges ist somit der Feuchtigkeitsschutz für den Festelektrolyten auch bei Spritz- und Regenwassereinwirkung gewährleistet, während gleichzeitig ein völlig ungehinderter Zutritt der Atmosphärenluft zur Innenseite des Festelektrolyten aufrechterhalten wird.

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Sauerstoff-Meßfühlers ist in der einzigen Figur der Zeichnung in Form einer Querschnittsansicht dargestellt und wird nachstehend näher beschrieben.

In der Figur bezeichnet die Bezugszahl I einen becherförmigen Festelektrolyten, der aus einem Sauerstoffionen leitenden Metalloxid aus einem Mischkristall mit einer Stoffmengenkonzentration (Mol-%) von 90% Zirkonoxid und 10% Yttriumoxid besteht. Auf der Innen- bzw. Außenseite des Festelektrolyten 1 sind eine Innenelektrode 2 und eine Außenelektrode 3 aus Platin, das eine katalytische Wirkung aufweist, durch chemi sehe Plattierung. Vakuumaufdampfung oder Sintern einer Paste ausgebildet bzw. aufgebracht. Auf der Außenseite der Außenelektrode 2 ist eine zum Beispiel aus Aluminiumoxid bestehende Wärmebeständige und poröse Schicht 4 ausgebildet. Die Bezugszahl 5 bezeichnet ein aus Wärmebeständigem Metall hergestelltes Gehäuse, das außen am Festelektrolyten angeordnet ist. Zwischen dem Gehäuse 5 und dem Oberteil des Festelektrolyten 1 sind elektrisch leitendes Graphit 6, elektrisch leitende Ringe 7 und 8 sowie ein