DE3020078C2

DE3020078C2 - Sauerstoffdetektor

Info

Publication number: DE3020078C2
Application number: DE19803020078
Authority: DE
Inventors: Syunzo Tobishima Aichi Mase; Tetsuo Nagoya Watanabe
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1979-05-28
Filing date: 1980-05-27
Publication date: 1982-05-19
Also published as: DE3020078A1; JPS6039809Y2; JPS55170660U

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Sauerstoffdetektor zur Messung eines Sauerstoffpartialdrucks in Abgasen einer Brennkraftmaschine vom Typ eines Sauerstoff-Konzentrationselements, welches einen rohrförmigen, festen, ionenleitenden, an einem Ende geschlossenen Zirkoniumoxid-Elektrolyt aufweist, dessen Innen- und Außenelektrode an der kinen- und Außenfläche durch Beschichten aufgebracht sind, und die Innenelektrode in Berührung mit einem Bezugsgas, - die Außenelektrode in Berührung mit den Abgasen stehen, während der geschlossene Endteil des festen Zirkoniumoxid-Elektrolytkörpers als Detektorteil in das Abgasrohr der Brennkraftmaschine eingebracht ist.

Durch die US-PS 39 60 692 ist ein Sauerstoffdetektor zur Messung eines Sauerstoffpartialdrucks in Abgasen bekanntgeworden, der in einer Vorrichtung zur Reinigung von Abgasen einer Brennkraftmaschine eingesetzt wird. Dabei weist ein fester Elektrolyt, der rohrförmig geformt und an einem Ende geschlossen ist, eine an seiner Innen- und Außenfläche aufgebrachte Innen- und Außenelektrode auf. Ein Detektorabschnitt ist in der Strömung des Abgases angeordnet, wobei die Außenelektrode in Berührung mit dem Abgas gelangt, während die Innenelektrode in Berührung mit einem Bezugsgas, beispielsweise Umgebungsluft, steht. Bei einer derartigen Anordnung wird der Sauerstoffpartialdruck im Abgas nach dem Arbeitsprinzip eines Sauerstoff-Konzentrationselements gemessen. Der Detektorteil eines derartigen Sauerstoffdetektors, der den Abgasen ausgesetzt ist, unterliegt infolge der Abkühlung und des Erhitzens durch die Abgase einem thermischen Schock. Beim Auftreten eines großen thermischen Schocks wird das feste Zirkoniumoxid-Elektrolytelement beschädigt. Um den thermischen Schock am Detektorteil so weit wie möglich zu beseitigen, ist eine metallische Schutzabdeckung mit einer großen Anzahl von Perforationen vorgesehen, die kreisförmig oder schlitzförmig ausgebildet sind, wobei die Schutzabdeckung im wesentlichen den Detektorteil umgibt. Die perforierte Schutzabdeckung schützt jedoch das feste Zirkoniumoxid-Elektrolytelement beim härtesten Betrieb unvollständig gegen die Abgase, welche einen thermischen Schock bis 50⁰C je Sekunde im Maximum erzeugen.

60 Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sauerstoffdetektor mit hoher Beständigkeit gegenüber thermischem Schock zu schaffen, dessen festes Elektro lytelement durch thermischen Schock bei den härtesten Betriebsbedingungen der Abgase wenig beschädigt w'utL

Diese Aufgabe wird mit einem Sauerstoffdetektor der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Verhältnis der Außenfläche des Detektorteils zum Volumen desselben nicht kleiner als 10(cm²/cm³) ist und der Außendurchmesser über die gesamte Länge des Detektorteils 6 mm oder kleiner ist. Der feste Zirkoniumoxid-Elektrolytkörper ist damit gegen eine Beschädigung als Folge einer plötzlichen Temperaturänderung der Abgase geschützt.

Der erfindungsgemäße Sauerstoffdetektor ist preisgünstig und schnell betriebsbereit.

Weiter verhindert der erfindungsgemäße Sauerstoffdetektor eine Beeinträchtigung der Gasdichtigkeit des Dichtungsabschnitts infolge von Schwingungen des Kraftfahrzeugs.

Die Erfindung ist im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt

F i g. 1 einen schematischen Querschnitt zur Erläuterung des Aufbaus einer im einzelnen dargestellten Ausführungsfonr; eines erfindungsgemäßen Sauerstoffdetektors

F i g. 2 und 3 Querschnitte des wesentlichen Teils des Sauerstoffdetektors zur Erläuterung des Detektorteils des Sauerstoffdetektors, und

Fig.4 und 5 Kurvendarstellungen zur Erläuterung der Beziehung zwischen dem prozentualen Schadensanteil als Folge eines thermischen Schocks und dem Verhältnis der Oberfläche zum Außendurchmesscr des Detektorteils des festen Zirkoniumoxid-Elektrolyten.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird anschließend auf die Zeichnungen Bezug genommen.

In Fig. 1 ist ein Sauerstoffdetektor aus einem ionenleitenden, festen Zirkoniumoxid-Elektrolyten I dargestellt, der zur Erfassung des Sauerstoffanteils in den Abgasen von Brennkraftmaschinen verwendet wird. Das Detektorelement besteht aus einem an einem Ende geschlossenen Rohr aus einem festen, aus Zirkoniumoxid gebildeten Elektrolyten. Im Innern des festen Zirkoniumoxid-Elektrolytkörpers des Detektorelements ist eine Elektrodenschicht 2 au> vorzugsweise Platin angeordnet. Die Außenfläche des festen Elektrolytkörpers ist mit einer Außenelektrodenschicht 3 versehen. Ein Detektorteil 4, der an einem geschlossenen Ende des festen Zirkoniumoxid-Elektrolytkörpers angeordnet ist, wird in die Leitung für die Abgase 5 eingeführt, wobei eine Schutzabdeckung 6 mit eingestanzten Öffnungen 7 den Zutritt der Abgase 5 ermöglicht und mit dem Gehäuse 8 verbunden ist, indem der obere Rand der Schutzabdeckung 6 zwischen die Innenausnehmung des Gehäuses 8 und dem verdickten Kragen 1-4 des festen Zirkoniumoxid-Elektrolytkörpers 1 eingebracht wird. Das Gehäuse 8 ist mit der Abgasleitung 9 einer Brennkraftmaschine derart verbunden, daß der Detektorteil 4 des festen Zirkoniumoxid-Eleketrolytkörpers 1 in der Abgasleitung 9 angeordnet ist. Eine hit/.ebeständige Dichtungsmasse 10, wie beispielsweise Talkpulver, ist in den Raum zwischen dem rohrförmigen Elcktrolytkörper 1 und dem Gehäuse 3 zur Bildung einer gasdichten Abdichtung bei einer Betriebstemperatur bis hinauf zu etwa 500⁰C eingefüllt. Ein Dichtungsring 11 aus rostfreiem

Stahl ist an der Oberfläche der Dichtungsmasse 10 angeordnet, um die gasdichte Abdichtung mittels der Dichtungsmasse 10 aufrechtzuerhalten. Ein unterer Flansch 12A einer Kappe 12 aus rostfreiem Stahl legt sich gegen die obere Fläche des Dichtungsrings 11. Ein zwischengeschalteter äußerer Ring 13 ist zwischen dem oberen Rand 8Λ des Gehäuses 8 und dem unteren Flansch 12A der Kappe 12 zur Aufrechterhaltung einer gasdichten Abdichtung vorgesehen. Eine zentrale Elektrode 14, die am mit einer Ausnehmung versehenen Innenrard am oberen Ende des festen rohrförmigen Elektrolytkörpers 1 anliegt, ist mittels einer Feder 15 mit der elektrischen Anschlußklemme 16 verbunden, wobei die Feder 15 sowohl elektrischen als auch mechanischen Kontakt mit der elektrischen Anschlußklemme 16 aufweist.

Ein Isolator 17 greift in eine Ausnehmung an der elektrischen Anschlußklemme 16 ein und liegt am oberen freien Ende der Kappe !2 an, wo er durch einen Klemmabschnitt am freien Ende der Kappe 12 gehalten wird, um die elektrische Anschlußklemme 16 in einer vorgegebenen Position zu halten.

Die Schadenserscheinungen am festen Elektrolytkörper als Folge eines thermischen Schocks wurden sorgfältig und im einzelnen untersucht. Die Untersuchung bezog sich auf die Form, den Wärmeaufnahmebereich und die Wärmekapazität des Detektorteils des rohrförmigen Sauerstoffdetektors und auf die Beziehung zwischen einer Beschädigung des Detektorteils mit den Heiz- und Kühlgeschwindigkeiten und der Temperaturverteilung über dem Detektorteil, wenn dieser einem thermischen Schock ausgesetzt ist.

Als Ergebnis der Untersuchung wurde gefunden, daß die Beschädigung des Detektorteils in hohem Maße vom Wärmeaufnahmebereich, der Wärmekapazität und der Form des Detektorteils des festen Elektrolytkörpers abhängt.

Die vorliegende Erfindung stützt sich auf die in dieser Weise ermittelten Ergebnisse. Mit anderen Worten, die übliche vorherrschende Auffassung hinsichtlich einer Beschädigung durch thermischen Schock besteht darin, daß der Detektorteil um so leichter beschädigt wird, je größer die Erhitzungs- und Abkühlungsgeschwindigkeit ist. Die Untersuchung ergab ferner, daß die übliche Auffassung nur für die Beschädigung der Oberfläche des Detektorteils zutrifft und daß die Gesamtheit des Detektorteils schwer beschädigt wird, wenn die Geschwindigkeit des Temperaturanstiegs oder der Abkühlung hoch ist, und die Verformung des Detektorteils rasch einer Temperaturänderung an der Oberfläche des Detektorteils folgt. Wie sich aus den Untersuchungen ergab, ist das Verhältnis des Volumens des Detektorteils zur Wärmeaufnahmefläche von erheblicher Bedeutung. Dieses Verhältnis muß daher größer als ein vorgegebener Wert sein, so daß der Detektorteil selbst unter strengsten Arbeitsbedingungen mit den Abgasen nicht beschädigt wird. Zusätzlich wurde gefunden, daß in einem derart ausgebildeten Sauerstoffdetektor die Formgebung in hohem Maße die Besländigkeit gegen thermischen Schock beeinflußt.

Der Grund fu> die numerische Begrenzung gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun im einzelnen erläutert.

Es wurden 58 Ausführungen eines Sauerstoffdetektors mit Ausbildungen des Detektorteils gemäß Tabelle 1 hergestellt, und zwar unter Verwendung von 2 Arten fester Zirkoniumoxid-Elektrolyte A und B, wovon einer eine rela.iv hohe Biegefestigkeit von etwa 16 600 N/cm² und der andere eine verhältnismäßig niedrige Biegefestigkeit von etwa 11 750 N/cm² aufwies. Die mit einer Abgasleitung einer Brennkraftmaschine verbundenen Ausführungsformen wurden 10 Zyklen eines thermischen Schocks von etwa 50⁰C je Sekunde ausgesetzt. Unter diesen Umständen wurden die prozentualen Schadensanteile der festen Elektrolytelemente der Detektorteile vergleichend gemessen. Die gemessenen prozentualen Schadensangaben sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Tabelle

No.	Delcktorteil	Detcktorteil	Dcteklorieil	Delektorteil	Schadcnsanteil ("'	;,»
	maximaler	Oberfläche	Volumen des	Oberfläche/	fester	tester
	Außendurch	(cnr)	l'esten Eleklrn-	Volumen	Elektrolyt	Elektrolyt
	messer		lyiclemenls	(cm"/cm')
	(mm)		(CIIl"")
1	4	2.11	0.186	11.3	0	0
2	4	1.98	0.154	12.9	0	0
3	4	1.78	0.195	9.1	2	2
4	4	1.78	0.177	10.0	0	0
5	4	1.60	0.193	8.3	6	6
6	S	2.65	0.203	13.1	0	0
7	5	2.43	0.245	9.9	I	1
8	5	2.43	0.218	11.1	0	0
9	5	2.16	0.296	7.3	18	22
10	5	2.16	0.230	9.4	Ί	3
Il	S	1.81	0.231	7.8	12	15
12	6	3.22	0.304	10.6	0	0
13	6	3.22	0.238	I3..1	0	0
U		2.73	0.307	8.9	10	12

	5	Deleklorleil	30 20 078	Deleklorleil	6	Schadcnsanlcil (	'%)
		Oberfläche		Oberfläche/		fester	fester
l'oitsel/ung	Delektorteil	(cnr)		Volumen	Iilektrolyt	Iilektrolyt
No.	maximaler		Deteklorteil	(Cm³ZeIIi¹)
	Außendurch-		Volumen des
	messer	2.40	festen lilektro-	9.8	2	2
	(mm)	1.97	lytelements	7.8	24	30
	6	1.97	(ClIl'')	6.3	48	55
15	6 *	3.64	0.244	13.4	3	4
16	6	3.01	0.251	10.3	10	15
17	7	3.0!	0.312	10.9	6	12
18	7	2.86	0.272	7.8	40	45
19	7	2.86	0.293	9.2	20	25
20	7	2.69	0.276	6.4	60	70
21	7	5.04	0.367	11.0	20	28
22	7	4.77	0.310	12.7	16	20
23	9	4.19	0.418	8.1	55	62
24	9	3.95	0.458	9.5	36	45
25	9	3.95	0.377	10.3	25	35
26	9	3.68	0.520	6.2	76	82
27	9	0.416
28	9	0.383
29		0.596

Im Einklang mit Tabelle 1 ist die Beziehung zwischen dem Verhältnis der Oberfläche des Detektorteils, der den festen Elektrolyten A enthält, zum Volumen und dem prozentualen Schadensanteil in F i g. 4 angegeben, wobei als Parameter der maximale Außendurchmesser des Detektorteils verwendet ist. Die entsprechende Beziehung bei einem Detektorteil mit einem festen Elektrolyten B ist in F i g. 5 angegeben. Hinsichtlich der erfindungsgemäßen numerischen Begrenzung gemäß F i g. 4 und 5 ist es unmöglich, wenn das Verhältnis von Oberfläche zum Volumen geringer als 10 (cmVcm³) ist, den prozentualen Schadensanteil als Folge des thermischen Schocks im wesentlichen auf Null zu verringern, selbst wenn ein beliebiger fester Zirkoniumoxid-Elektrolyt und ein beliebiger Außendurchmesser des Detektorteils verwendet werden. (»Volumen« bedeutet das Netto-Volumen des festen Teils des Elektrolyten ausschließlich des Volumens des umschlossenen Hohlraums.) Somit muß das Verhältnis der Oberfläche des Detektorteils zum Volumen 10 (cm²/cm³) oder größer sein. Die F i g. 4 und 5 zeigen ferner, daß selbst dann, wenn das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen 10 (cnrVcm³) oder mehr beträgt, der Außendurchmesser des Detektorteils 6 mm oder kleiner sein muß, damit der prozentuale Schadensanteil im wesentlichen Null wird.

Der Grund, warum das Verhältnis von Oberfläche zum Volumen und der Außendurchmesser des Detektorteils eine klare Korrelation zum thermischen Schock haben, kann wie folgt abgeschätzt werden: Wenn die Oberfläche des Detektorteils oder die Wärmeaufnahmefläche vergleichsweise groß ist, so ist die Änderungsgeschwindigkeit der Temperatur am Detektorteil hoch. Ist das Volumen oder die Wärmekapazität des festen Zirkoniumoxid-Elektrolytrohrs des Detektorteils vergleichsweise klein, so wird die Temperaturänderungsgeschwindigkeit am Detektorte! hoch. Ist die Temperaturänderungsgeschwindigkeit a-n gesamten Detektorteil hoch, so wird die Spannung für die durch die Temperaturverteilung am Detektorteil verursachte Verzerrung verringert, so daß eine Beschädigung durch

j) den thermischen Schock kaum eintritt. Zusätzlich zu diesem Umstand stellt die Außenabmessung einen Gestaltfaktor dar, welcher einen Grenzwert für die Verursachung einer Beschädigung wegen thermischen Schocks bildet.

Der als Detektorteil 4 bezeichnete Abschnitt ergibt den Bereich des festen Zirkoniumoxid-Elektrolyten 1 mit den Elektroden 2 und 3 an, der in den Strom der Abgase eingesetzt ist, d. h. den Abschnitt unterhalb der kreisförmigen und schlitzförmigen Öffnungen 7 der

4t Schutzabdeckung 6, der am nächsten zur Wand der Abgasleitung liegt oder in den F i g. 2 und 3 unterhalb der gestrichelten Linie eingetragen ist. Der Abschnitt der Schutzabdeckung 6, der dem Detektorteil 4 des Elektrolyten 1 in der Nähe der Wand der Abgasleitung oberhalb der gestrichelten Linie zugewandt liegt weist keine Öffnungen 7 auf. Daher ist die Strömungsgeschwindigkeit der Abgase im Bereich jenes Abschnitts klein, so daß der thermische Schock so gering ist, daß er kaum den Detektorteil beschädigt Deshalb wird dieser Bereich in der Beschreibung nicht erläutert.

Der auf diese Weise ausgebildete Sauerstoffdetektor ist wegen der geringen Wärmekapazität des festen Elektrolyten aus ZrO₂ geringer Größe, der in die Gasströmung eingesetzt wird, verbessert da die Erwärmung des Detektorteils schnell erfolgt und der Detektorteil zum Einschaltzeitpunkt der Maschine rasch betriebsbereit wird. Der geringe Durchmesser des Detektorteils entsprechend der vorliegenden Erfindung bringt eine Ersparnis bezüglich der Menge des verwendeten Elektrodenwerkstoffs, wie beispielsweise teueren Platins und erleichtert die Befestigung des Sauerstoffdetektors am kleinen Vohimenbereich der Abgasleitung. Die Verringerung des Durchmessers des

7 8

festen Elektrolyten aus ZrÜ2 verringert dessen Gewicht, seinem Volumen von 10(cm²/cm³) oder größer und

so daß die auf den Dichtungsabschnitt als Folge von einem Außendurchmesser des Detektorteils von 6 mm

Fahrzeugschwingungen ausgeübte Belastung gering oder kleiner durch den thermischen Schock infolge von

wird. Dies führt zu einer geringen Verschlechterung der Abgasen einer Brennkraftmaschine unter den streng-

Gasdichtigkeit zwischen der Schutzabdeckung 6 und ϊ sten Betriebsbedingungen wenig beschädigt. Daher ist

dem festen Elektrolyten 1. der erfindungsgemäße Sauerstoffdetektor während

Wie vorausgehend erläutert wurde, wird ein Sauer- langer Zeit gleichmäßig brauchbar und in industriellen

Stoffdetektor mit einem Verhältnis der Außenfläche des Anwendungen von großem Nutzen.
Detektorteils des festen Zirkoniumoxidelektrolyten zu

Hilt/u 3 Iihitt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Sauerstoffdetektor zur Messung eines Sauerstoffpartialdrucks in Abgasen einer Brennkraftmaschine > vom Typ eines Sauerstoff-Konzentrationselements, welches einen rohrförmigen, festen, ionenleitenden, an einem Ende geschlossenen Zirkoniumoxid-Elektrolyt aufweist, dessen Innen- und Außenelektrode an der Innen- und Außenfläche durch Beschichten aufgebracht sind, und die Innenelektrode in Berührung mit einem Bezugsgas, die Außenelektrode in Berührung mit den Abgasen stehen, während der geschlossene Endteil des festen Zirkoniumoxid-Elektrolytkörpers als Detektorteil in das Abgasrohr ι > der Brennkraftmaschine eingebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Außenfläche des Detektorteils (4) zum Volumen desselben nicht kleiner als 10(cm²/cm³) ist und der Außendurchmesser über die gesamte Länge des ju Detektorteils (4) 6 mm oder kleiner ist.