DE3020094A1

DE3020094A1 - Thermal shock resistant oxygen detector for engine exhaust gas - has solid electrolyte tube with specified max. dia. at seal and flange

Info

Publication number: DE3020094A1
Application number: DE19803020094
Authority: DE
Inventors: Syunzo Mase; Shigeo Soejima; Tetsuo Watanabe
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1979-06-13
Filing date: 1980-05-27
Publication date: 1980-12-04

Abstract

Detector has a solid electrolyte tube, closed at one end, with inner and outer electrodes, in a metal housing. The tube has an annular widened flange between the closed and open ends and a sealing ring under pressure. The detector is sealed in the exhaust pipe with the inner and outer electrodes in contact with air and exhaust gases, so that the O2 partial pressure is measured by the O2 concn. cell method. The outside dia. of the section of the tu be near the boundary between the sealing compsn. (10) and the sealing ring (11) is max. 9(max.8) mm and the max. outside dia of the flange is max. 11(max.10) mm so that the detector is protected against damage or fracture by sprayed water (i.e. thermal shock). The detector can be used in the high temp. section of the exhaust pipe, so that a rapid response is obtd.

Description

Sauerstoffdetektor Oxygen detector

Die Erfindung bezieht sich auf einen Sauerstoffdetektor, der bezüglich seiner Widerstandsfähigkeit gegenüber einem thermischen Schock, der beim Aufspritzen von Wasser auf den Detektor eintritt, beträchtlich verbessert ist.The invention relates to an oxygen detector relating to its resistance to thermal shock caused by spraying of water entering the detector is considerably improved.

Eine " "Sauerstoffkonzentrationszelle" ist derart ausgebildet, daß beim Kontakt von Gasen mit unterschiedlichen Sauerstoffpartialdrücken an den Flächen der inneren und äußeren Elektrode, die an den beiden gegenüberliegenden Flächen eines festen Elektrolytkörpers vorgesehen sind, der beispielsweise aus Zirkoniumoxid besteht, eine elektromotorische Kraft entsprechend dem Verhältnis zwischen den beiden Sauerstoffpartialdrücken erzeugt wird. Bekannt ist ein Sauerstoffdetektor, der unter Verwendung des vorausgehend aufgeführten Arbeitsprinzips einer Sauerstoffkonzentrationszelle den Sauerstoffpartialdruck in den Abgasen, beispielsweise einer Brennkraftmaschine'mißt und das Luft:Brennstoff-Verhaltnis überwacht, um dessen Aufrechterhaltung auf einem optimalen Wert zu gestatten.An "" oxygen concentration cell "is designed such that when gases with different oxygen partial pressures come into contact with the surfaces the inner and outer electrodes on the two opposite surfaces a solid electrolyte body are provided, for example made of zirconium oxide exists, an electromotive force corresponding to the ratio between the two Oxygen partial pressures is generated. An oxygen detector is known that under Use of the working principle of an oxygen concentration cell listed above the oxygen partial pressure in the exhaust gases, for example an internal combustion engine and the air: fuel ratio is monitored to help maintain it on one allow optimal value.

Ein Ausführungsbeispiel für den Aufbau eines derartigen Sauerstoffdetektors wird unter Bezugnahme auf Fig. 4 der US-PS 3 960 692 erläutert.An embodiment for the construction of such an oxygen detector is discussed with reference to Figure 4 of U.S. Patent 3,960,692.

Ein Sauerstoffdetektor mit dem vorausgehend erwähnten Aufbau ist, falls er Zur Messung des Sauerstoffpartialdrucks in den Abgasen, beispielsweise eines Kraftfahrzeugs, verwendet wird, gewöhnlich an ein Auspuffrohr angeschlossen, das unmittelbar vom Motor wegführt. Der Sauerstoffdetektor ist daher zu allen Zeiten während des Betriebs des Motors den hohe Temperatur aufweisenden Abgasen ausgesetzt. Im allgemeinen beträgt die Temperatur der Abgase einer Brennkraftmaschine maximal etwa 0 looo C und in diesem Falle ist die Temperatur des verbreiteten Kragens des genannten festen Z irkoniuitoxid-E lektro lyt -körpers, obwohl sie sich entsprechend der Gestalt des Sauerstoffdetektors geringfügig ändert, etwa 500 OC. Aus diesem Grunde wurde beim Auftreffen von Wasser als Folge eines Ablaufs desselben vom umlaufenden Reifen auf das den verbreiteten, auf einer derartig hohen Temperatur gehaltenen Kragen umgebende Gehäuse dieses und das darin befindliche Element oder Material stark gekühlt, so daß infolgedessen häufig Sprünge C1 und C2 gemäß Fig. 2 im festen Zirkoniumoxid-Elektrolytkörper erzeugt werden. Um die Entstehung solcher Sprünge zu verhindern, wird eine nicht dargestellte wasserdichte Abdeckung am Außenumfang des Metallgehäuses oder des Sauerstoffdetektors angeordnet, der mit dem Teil der Auspuffleitung verbunden ist, an dem die Temperatur nicht so hoch ist. Im erstgenannten Fall werden die Kosten für die Anordnung des Sauerstoffdetektors hoch; falls.im letztgenannten Fall die Maschine mit geringer Belastung läuft, wird die Temperatur nicht hoch genug, um ein normales Arbeiten des Sauerstoffdetektors zu gestatten, womit eine genaue Messung des Sauerstoffpartialdrucks nicht erfolgt.An oxygen detector with the structure mentioned above is if it is used to measure the partial pressure of oxygen in the exhaust gases, for example of a motor vehicle, usually connected to an exhaust pipe, that leads directly away from the engine. The oxygen detector is therefore at all times exposed to the high temperature exhaust gases during the operation of the engine. In general, the temperature of the exhaust gases from an internal combustion engine is at a maximum about 0 looo C and in this case the temperature of the common collar is the called solid zirconium oxide elektro lyt body, although they are accordingly the shape of the oxygen detector changes slightly, about 500 OC. For this The reason was when water hit the water as a result of it running away from the circulating water Tire on the common, kept at such a high temperature Collar surrounding housing this and the element or material located therein strongly cooled, so that as a result, often jumps C1 and C2 according to FIG. 2 in the solid Zirconia electrolyte bodies are produced. About the emergence of such jumps to prevent, an unillustrated waterproof cover on the outer periphery of the metal housing or the oxygen detector arranged with the part of the Is connected to the exhaust pipe where the temperature is not so high. In the former In this case, the cost of arranging the oxygen detector becomes high; if.im The latter case, the machine is running with a low load, the temperature not high enough to allow the oxygen detector to work normally, which means that an accurate measurement of the partial pressure of oxygen does not take place.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sauerstoffdetektor zur Verfügung zu stellen, bei welchem die vorausgehend erwähnten Schwierigkeiten überwunden sind und welcher bezüglich der Widerstandsfähigkeit gegen das Besprizen mit Wasser, wenn er sich auf einer hohen Temperatur befindet, erheblich verbessert ist.The invention is based on the object of an oxygen detector to provide in which the difficulties mentioned above are overcome and which one in terms of resistance to splashing with water when it is at a high temperature, considerably improved is.

Ferner soll durch die Erfindung ein Sauerstoffdetektor geschaffen werden, der einen zylindrischen,mit einem Boden versehenem,an einem Ende geschlossenen'festen Elektrolytkörper aufweist und der derart aufgebaut ist, daß ein Sauerstoffdetektoreinheit, welche durch Anordnung von Elektroden an der Außen-und Innenfläche des festen Elektrolytkörpers gebildet wird, innerhalb eines Metallgehäuses aufgenommen wird, wobei der Elektrolytkörper einen ringförmigen verbreiterten Kragen an einer Zwischenposition. zwischen dem geschlossenen Endabschnitt und einem offenen Endabschnitt des mit Boden versehenefr zylindrischen festen Elektrolytkörpers aufweist, eine Dichtungsmasse zwischen dem Metallgehäuse und dem festen Elektrolytkörper angeordnet ist und durch einen Dichtungsring unter Druck gesetzt wird, und der Sauerstoffdetektor an die Abgasleitung eines Motors eines Kraftfahrzeugs angeschlossen ist, damit die innere und äußere Elektrode in Berührung mit Luft und Abgasen gelangen, so daß der Sauerstoffpartialdruck im Abgas unter Verwendung des Arbeitsprinzips einer Sauerstoffkonzentrationszelle gemessen wird, und wobei der Sauerstoffdetektor dadurch gekennzeichnet ist, daß zur Verhinderung einer Beschädigung und eines Drucks desselben infolge von Sprühwasser am festen Elektrolytkörper der Außendurchmesser eines Teils des festen Elektrolytkörpers in der Nachbarschaft einer Grenzfläche zwischen der Dichtungsmasse und dem Dichtungsring auf 9 mm oder weniger festgelegt . ist und daß ferner der maximale Außendurchmesser des ringförmigen verbreiterten Flanschabschnitts des festen Elektrolytkörpers auf 11 mm oder weniger festgelegt ist. The invention is also intended to provide an oxygen detector are fixed to the one cylindrical, bottomed, closed at one end Has electrolyte body and which is constructed in such a way that an oxygen detector unit, which by arranging electrodes on the outer and inner surface of the solid electrolyte body is formed, is received within a metal housing, the electrolyte body an annular widened collar at an intermediate position. between the closed end portion and an open end portion of the bottomed fr having cylindrical solid electrolyte body, a sealant between the Metal housing and the solid electrolyte body is arranged and through a sealing ring is pressurized, and the oxygen detector to the exhaust pipe of an engine a motor vehicle is connected so that the inner and outer electrodes in Get in contact with air and exhaust gases, so that the oxygen partial pressure in the exhaust gas measured using the working principle of an oxygen concentration cell is, and wherein the oxygen detector is characterized in that for prevention damage and pressure of the same due to water spray on the solid Electrolyte body the outer diameter of a part of the solid electrolyte body in the vicinity of an interface between the sealant and the sealing ring set to 9 mm or less. and that also the maximum outside diameter of the annular widened flange portion of the solid electrolyte body 11 mm or less is set.

Ferner soll durch die Erfindung ein Sauerstoffdetektor zur Verfügung gestellt werden, welcher mit dem auf hoher Temperatur befindlichen Abschnitt einer in einem Kraftfahrzeug vorhandenen Abgasleitung verbunden werden kann und der deshalb nach kurzer Zeit seinen Betrieb aufnehmen und schnell ansprechen kann.Furthermore, the invention is intended to provide an oxygen detector be placed, which is with the high temperature section a in a motor vehicle existing exhaust pipe are connected and can therefore start operating after a short time and respond quickly can.

Ferner soll durch die Erfindung ein preisgünstiger Sauerstoffdetektor geschaffen werden.The invention is also intended to provide an inexpensive oxygen detector be created.

Schließlich soll durch die Erfindung ein Sauerstoffdetektor zur Verfügung gestellt werden, bei welchem eine Verringerung der Gasdichtigkeit seines abgedichteten Abschnittes als Folge von Schwingungen des Kraftfahrzeugs selbst verhindert wird.Finally, the invention is intended to provide an oxygen detector in which a reduction in the gas tightness of its sealed Section is prevented as a result of vibrations of the motor vehicle itself.

Endlich soll durch die Erfindung ein Sauerstoffdetektor erhalten werden, bei dem der Außendurchmesser von 8 mm oder weniger an einem Abschnitt des festen Zirkoniumoxids-Elektrolytkörpers in der Nachbarschaft des Dichtungsrings liegt.Finally, an oxygen detector should be obtained by the invention, where the outer diameter of 8 mm or less at a portion of the solid Zirconia electrolyte body is in the vicinity of the sealing ring.

Ferner ist die Erfindung darauf abgestellt, einen Sauerstoffdetektor zu schaffen, bei welchem der maximale Außendurchmesser von 1o mm oder weniger sich am ringförmigen verbreiterten Flanschabschnitt des festen Zirkoniumoxid-Elektrolytkörpexswbefindet.Furthermore, the invention is directed to an oxygen detector to create at which the maximum outside diameter of 10 mm or less is is located on the annular widened flange portion of the zirconia solid electrolyte body exsw.

Schließlich soll durch die Erfindung ferner ein Sauerstoffdetektor erhalten werden, bei dem der feste Elektrolyt aus teilweise stabilisiertem ZrO2 mit Y 203 oder aus völlig stabilisiertem ZrO2 mit Y203 besteht.Finally, the invention is also intended to provide an oxygen detector can be obtained in which the solid electrolyte consists of partially stabilized ZrO2 with Y 203 or completely stabilized ZrO2 with Y203.

Die Erfindung wird anschließend in Verbindung mit einem in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiel beschrieben; es zeigen: Fig. 1 eine teilweise geschnittene Ansicht eines Ausführungsbeispiels des Sauerstoffdetektors, Fig. 2 eine Ansicht zur Erläuterung der beschädigten Abschnitte eines festen Zirkoniumoxid-Elektrolyten des Sauerstoffdetektors als Folge von Sprühwasser, Fig. 3 und 4 Darstellungen zur Erläuterung der jeweiligen Abmessungen und Formgebung des festen Zirkoniumoxid-Elektrolyten und des Metallge-Gehäuses, Fig. 5 eine Kurvendarstellung, welche die Beziehung - zwischen dem Durchmesser eines Abschnitts des festen Zirkoniumoxid-Elektrolyten in der Nachbarschaft der Kontaktfläche zwischen der Dichtungsmasse und dem Dichtungsring mit dem Ausmaß (%) angibt, in welchem Schäden am Sauerstoffdetektor auftreten und Fig. 6 eine Kurvendarstellung, aus welcher die Beziehung zwischen dem maximalen Durchmesser des festen Zirkoniumoxid-Elektrolytkörpers und dem Prozentsatz von Schäden am Sauerstoffdetektor ersichtlich ist.The invention will then be described in connection with one of the drawings illustrated embodiment described; 1 shows a partial sectional view of an embodiment of the oxygen detector, Fig. Fig. 2 is a view for explaining the damaged portions of a zirconia solid electrolyte of the oxygen detector as a result of spray water, Fig. 3 and 4 representations for Explanation of the respective dimensions and shape of the solid zirconium oxide electrolyte and the Metallge housing, Fig. 5 is a graph showing the relationship - between the diameter of a portion of the zirconia solid electrolyte in the vicinity of the contact surface between the sealant and the sealing ring with the extent (%) to which damage occurs to the oxygen detector and Fig. 6 is a graph showing the relationship between the maximum Zirconia solid electrolyte body diameter and percentage of damage can be seen on the oxygen detector.

Die Erfindung wird anschließend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, welche bevorzugte Ausführungsformen darstellen, beschrieben.The invention will then be described with reference to the drawings, which represent preferred embodiments described.

Gemäß Fig. 1 wird ein Sauerstoffdetektor 1, der aus einem ionenleitenden festen Elektrolyten,wie beispielsweise Zirkoniumoxid,besteht, zur Erfassung des Sauerstoffanteils in den Abgasen einer Brennkraftmaschine verwendet. Der Sauerstoffdetektor 1'besteht aus einem Rohr aus einem festen Elektrolyten-, das an einem Ende geschlossen und aus Zirkoniumoxid gefertigt ist. An der Innenseite des ionenleitenden festen Elektrolytkörpers des Sauerstoffdetektors 1 ist eine Elektrodenschicht 2, die vorzugsweise aus Platin besteht, vorhanden. Die Außenfläche des festen Elektrolytkörpers ist mit einer äußeren Elektrodenschicht 3 überzogen. Ein Abschnitt 4 des Sauerstoffdetektors, der an einem geschlossenen Ende des ionenleitenden festen Elektrolytkörpers liegt, wird dem Strom der Abgase 5 ausgesetzt, wobei eine metallische Schutzabdeckung 6 mit ausgestanzten Öffnungen den Zutritt der Abgase 5 gestattet. Die Schutzabdeckung 6 ist mit dem Gehäuse 8 verbunden, in dem der obere Rand der Schutzabdeckung 6 zwischen der Innenausnehmung des Gehäuses 8 und dem verbreiterten'flanschartigen Kragen 1A des ionenleitenden festen Elektrolytkörpers 1 eingesetzt wird. Das Gehäuse 8 greift in eine Abgasleitung 9 einer Brennkraftmaschine derart ein, daß der Detektorabschnitt 4 des ionenleitenden festen Elektrolytkörpers 1 sich innerhalb des Abgasleitung 9 befindet. Eine hitzebeständige Abdichtungsmasse 1o, beispielsweise Talkpulver, ist in dem Raum zwischen dem festen Elektrolytkörper 1 und dem Gehäuse 8 angeordnet, um eine gasdichte Abdichtung bei einer Betriebstemperatur bis hinauf zu etwa 500 OC zu bilden. Ein Abdichtungsring 11 aus rostfreiem Stahl ist auf der Oberfläche der Abdichtungsmasse 1o angebracht, um die durch die Dichtungsmasse 1o gebildete gasdichte Abdichtung zu begrenzen. Ein äußerer Ring 13 ist zwischen dem oberen Rand 8A des Gehäuses 8 und dem unteren Flansch 12A der Kappe 12 angeordnet und befestigt, um eine gasdichte Abdichtung aufrechtzuerhalten. Eine zentrale Elektrode 14, die am oberen Rand des vom festen Elektrolytkörper 1 gebildeten Rohresanliegt, ist durch eine Feder 15 mit einer elektrischen Klemme 16 verbunden, wobei die Feder 15 mit der elektrischen Klemme 16 sowohl elektrischen als auchmechanischen Kontakt herstellt.According to Fig. 1, an oxygen detector 1, which consists of an ion-conductive solid electrolytes, such as zirconium oxide, exist to detect the Oxygen content used in the exhaust gases of an internal combustion engine. The oxygen detector 1 'consists of a tube made of a solid electrolyte that is closed at one end and made of zirconia. On the inside of the ion-conducting firm The electrolyte body of the oxygen detector 1 is an electrode layer 2, which is preferably made of platinum. The outer surface of the solid electrolyte body is covered with an outer electrode layer 3. A section 4 of the oxygen detector, which lies at a closed end of the ion-conductive solid electrolyte body, is exposed to the flow of exhaust gases 5, with a metallic protective cover 6 With punched openings the access of the exhaust gases 5 is allowed. The protective cover 6 is connected to the housing 8, in which the upper edge of the protective cover 6 between the inner recess of the housing 8 and the widened flange-like collar 1A of the ion-conductive solid electrolyte body 1 is used. The housing 8 engages into an exhaust pipe 9 of an internal combustion engine in such a way that the detector section 4 of the ion-conductive solid electrolyte body 1 is within the exhaust pipe 9 is located. A heat-resistant sealing compound 1o, for example talc powder, is arranged in the space between the solid electrolyte body 1 and the case 8, to achieve a gas-tight seal at an operating temperature up to about 500 Form OC. A stainless steel sealing ring 11 is on the surface the sealing compound 1o attached to the one formed by the sealing compound 1o limit gastight seal. An outer ring 13 is between the top edge 8A of the housing 8 and the lower flange 12A of the cap 12 arranged and fixed, to maintain a gas-tight seal. A central electrode 14, the on the upper edge of the tube formed by the solid electrolyte body 1 is through a spring 15 connected to an electrical terminal 16, the spring 15 with of electrical terminal 16 makes both electrical and mechanical contact.

Ein Isolator 17 liegt an der elektrischen Ar,scnlußRlemme 16 an und ist am oberen freien Ende der Kappe 12 eingeschoben und wird durch einen Klemmabschnitt 12b am freien Ende der Kappe 12 gehalten, um die elektrische Anschlußklemme 16 in einer vorgegebenen Stellung zu fixieren.An insulator 17 is connected to the electrical connection terminal 16 and is inserted at the upper free end of the cap 12 and is by a clamping portion 12b held at the free end of the cap 12 to the electrical To fix terminal 16 in a predetermined position.

Als Ergebnis eingehender Untersuchungen der Sprünge am festen Elektrolytkörper als Folge von Sprühwasser hat sich gezeigt, daß gemäß Fig. 2 derartige Sprünge hauptsächlich in zwei Abschnitten auftreten, wovon einer ein Abschnitt C1 des festen Elektrolytkörpers in der Nachbarschaft der Kontaktfläche zwischen der Abdichtungsmasse 1o und dem Abdichtungsring 11 ist, während der andere durch den verbreiterten:Kragen (C2 in Fig. 2) des festen Elektrolytkörpers gebildet wird, der den größten Außendurchmesser und die größte Dicke aufweist. Die Ursachen für die Entstehung der Sprünge in diesen Abschnitten C1 und C2 werden im folgenden gesehen: Bisher wurde/ während Wasser auf die zusammengebaute Einheit aus Metallgehäuse und festem Elektrolytkörper gespritzt wurde, der feste Elektrolytkörper infolge seiner hohen Temperatur weiterhin in seinem wärmegedehnten Zustand gehalten, während das Metallgehäuse allein schnell abgekühlt und dadurch einer Kontraktion unterzogen wurde, wobei infolgedessen eine Druckkraft auf den verbreiterten Kragen des festen Elektrolytkörpers 1 in solcher Weise ausgeübt wurde, daß sie gegen die Mittelachse desselben gerichtet war. Darüber hinaus steigt infolge einer derartigen Kontraktion des Metallgehäuses gegen Seine Mittelachse der auf die Abdichtungsmasse ausgeübte Druck stärker am anschlußseitigen Endabschnitt als an anderen Bereichen an. Aus diesen beiden Gründen wirkt eine große Scherkraft an der Grenzfläche zwischen dem verbreiterten Abschnitt des festen Elektrolytkörpers, auf welche eine derartige äußere Kraft einwirkt, und dem übrigen Abschnitt des Elektrolytkörpersoauf dem keine äußere Kraft zur Wirkung kommt. Dies wird als Ursache für die Zerstörung des festen Elektrolytkörpers angesehen. Im letzteren Fall wird die Temperatur des Metallgehäuses infolge des Sprühwassers rasch abgesenkt und die Temperaturänderung wird unmittelbar oder über die verhältnismäßig dünne Schicht der Abdichtungsmasse lo auf die Oberfläche des festen Zirkoniumoxid-Elektrolytkörpers übertragen, so daß infolgedessen die erwähnten Sprünge dem großen Temperaturunterschied zwischen der Innenfläche und der Außenfläche des festen Zirkoniumoxid-Elektrolytkörpers zugeschrieben werden. Als Ergebnis der Untersuchungen bei verschiedenen Ausführungen des Sauerstoffdetektors zwecks Verhinderung der vorausgehend erwähntem beiden Arten von Beschädigung desselben wurden folgende Schlußfolgerungen gezogen' Falls angestrebt wird, es dem Sauerstoffdetektor zu ermöglichen, der als Folge der Kontraktion des Metallgehäuses im früheren Fall auftretenden Druckkraft zu widerstehen, hat es sich als sehr wirksam erwiesen, daß der Durchmesser des Abschnitts des rohrfijrmigen festen Zirkoniumoxid-Elektrolytkörpers in der Nachbarschaft des Kontaktabschnitts zwischen der Dichtungsmasse 1o und dem Dichtungsring 11 mit 9 mm oder weniger festgelegt wird oder vorzugsweise mit 8 mm oder weniger. Falls angestrebt wird, das Auftreten von Rissen als Folge der schnellen Abkühlung der Oberfläche des festen Zirkoniumoxid-Elektrolytkörpers im letzteren Falle zu vermeiden, hat es sich als sehr wirksam erwiesen, daß der maximale Außendurchmesser des festen Zirkoniumoxid-Elektrolytkörpers oder vorzugsweise der verbreiterte Kragen 1A desselben auf 11 mm oder weniger und vorzugsweise auf so mm oder weniger festgelegt wird.As a result of in-depth investigations into the cracks on the solid electrolyte body As a result of spray water it has been shown that, according to FIG. 2, such jumps mainly occur in two sections, one of which is a section C1 of the solid electrolyte body in the vicinity of the contact area between the sealing compound 1o and the Sealing ring 11 is, while the other is widened by the: collar (C2 in Fig. 2) of the solid electrolyte body is formed, which has the largest outer diameter and has the greatest thickness. The causes for the emergence of the cracks in these Sections C1 and C2 are seen in the following: So far has been / during water sprayed onto the assembled unit of metal housing and solid electrolyte body became, the solid electrolyte body continued in its due to its high temperature kept heat-expanded state while the metal case alone cooled rapidly and has thereby been subjected to contraction, as a result of which a compressive force has been applied exerted on the widened collar of the solid electrolyte body 1 in such a manner became that it was directed against the central axis of the same. It also rises as a result of such contraction of the metal case against its central axis the pressure exerted on the sealing compound is stronger at the connection-side end section than in other areas. For these two reasons, a large shear force acts at the interface between the widened portion of the solid electrolyte body, on which such an external force acts, and the rest of the portion of the electrolyte body which no external force comes into play. This is considered to be the cause of the destruction of the solid electrolyte body viewed. In the latter case, the temperature of the Metal housing as a result of the spray water quickly lowered and the Temperature change is immediate or via the relatively thin layer the sealing compound lo on the surface of the solid zirconia electrolyte body transferred, so that as a result of the mentioned jumps the large temperature difference between the inner surface and the outer surface of the zirconia solid electrolyte body can be attributed. As a result of the studies on various designs of the oxygen detector for the purpose of preventing the aforementioned two types from damage to the same, the following conclusions were drawn 'If desired will enable the oxygen detector to operate as a result of the contraction of the Metal housing to withstand the compressive force occurring in the earlier case, it has to be Proved to be very effective that the diameter of the section of the tubular zirconia solid electrolyte body in the vicinity of the contact portion between the sealing compound 1o and the sealing ring 11 is set to be 9 mm or less is or preferably 8 mm or less. If desired, occurrence cracks as a result of the rapid cooling of the surface of the zirconia solid electrolyte body in the latter case, it has been found to be very effective that the maximum outer diameter of the zirconia solid electrolyte body, or preferably the enlarged collar 1A thereof to be 11 mm or less, and preferably so mm or less is set.

Es wird darauf hingewiesen, daß der feste Zirkoniumoxid-Elektrolyt, welcher für den erfindungsgemäßen Sauerstoffdetektor verwendet wird, wünschenswerterweise eine Biegefestigkeit von 9800 N/cm2 oder höher aufweist. Dies besagt, daß, falls der Durchmesser des Abschnitts des rohrförmigen festen Elektrolytkörpers in der Nachbarschaft der Kontaktfläche zwischen der Dichtungsmasse 10 und dem Dichtungsring 11 auf 9 mm oder weniger festgelegt wird und wenn ferner der größte Außendurchmesser des rohrförmigen festen Zirkoniumoxid-Elektrolytkörpers auf 11 mm oder weniger festgelegt wird, der erhaltene Sauerstoffdetektor weitgehend gegenüber einer Zerstörung oder Beschädigung geschützt ist, wie nachfolgend noch ausgeführt werden wird.It should be noted that the solid zirconia electrolyte, which is used for the oxygen detector of the present invention, desirably has a flexural strength of 9800 N / cm2 or higher. This means that if is the diameter of the portion of the tubular solid electrolyte body in the Proximity of the contact surface between the sealing compound 10 and the sealing ring 11 is set to 9 mm or less and, if further, the largest outside diameter of zirconia tubular solid electrolyte body set to 11 mm or less is, the oxygen detector obtained largely against destruction or Damage is protected, as will be explained below.

Zur Untersuchung einer rohrförmigen festen Zirkoniumoxid-Elektrolytanordnung, welche der durch die Kontraktion des Metallgehäuses bei Sprühwasser auftretenden Druckkraft widerstehen -kann ist, wurden Sauerstoffdetektoren in einer Ausführung ähnlich gemäß Fig. 1 in folgender Weise hergestellt. Zunächst wurden rohrförmige Zirkoniumoxid-Elektrolytkörper, wovon jeder einen zylindrischen, mit einem Boden versehenen Abschnitt und Abmessungen gemäß Tabelle 2 und 3 aufwies*-unter Verwendung von festen Zirkoniumoxid-Elektrolyten, von denen jeder eine Zusammensetzung gemäß Tabelle 1 aufwies; hergestellt. Anschließend wurde das Metallgehäuse gefertigt, wovon jedes eine Abmessung gemäß Tabelle 3 und Fig. 4 aufwies. Durch Verwendung der festen Zirkoniumoxid-Elektrolytkörper und der Metallgehäuse, die auf diese Weise gefertigt wurden, wobei 20 Gewichts-% Graphit und 80 Gewichts-% Ialk-als Dichtungsmasse eingesetzt wurden, kamen folgende Herstellungsvorgänge zur anwendung: Ein Druck von 19 600 N/cm² wurde auf die Dichtungsmasse ausgeübt und die erhaltene Dichtungsmasse wurde in den Zwischenraum zwischen dem Metallgehäuse und dem Zirkoniumoxid-Elektrolytkörper bis- zu einer Tiefe von 5 mm eingefüllt, anschließend wurde auf die erhaltene Dichtungsmasse lq ein Dichtungsring gegeben und das Metallgehäuse wurde an seinem oberen Ende mit einer Umfangskraft von 4900 N je cm Umfangslänge deformiert.To study a tubular solid zirconia electrolyte assembly, which of those caused by the contraction of the metal housing when sprayed with water Can withstand compressive force is oxygen detectors in one design manufactured similarly to FIG. 1 in the following manner. Initially they were tubular Zirconia electrolyte bodies, each cylindrical, with a bottom provided section and dimensions according to Tables 2 and 3 * - using of solid zirconia electrolytes, each of which has a composition according to Table 1; manufactured. Then the metal housing was manufactured, each of which had a dimension according to Table 3 and FIG. 4. By using the solid zirconia electrolyte body and the metal casing made in this way were manufactured, with 20% by weight graphite and 80% by weight Ialk as a sealing compound were used, the following manufacturing processes were used: A print of 19,600 N / cm² was applied to the sealant and the sealant obtained was in the space between the metal case and the zirconia electrolyte body Filled to a depth of 5 mm, then the sealant obtained was applied lq was given a sealing ring and the metal housing was at its upper end with deformed by a circumferential force of 4900 N per cm circumferential length.

auf diese Weise wurden ein Sauerstoffdetektor entsprechend Fig. 1 erhalten. Anschließend wurde jeder auf diese Weise erhaltene-Sauerstoffdetektor an die Abyasleitung 9 einer Brennkraftmaschine angeschlossen und in einem Betriebszustand gehalten, bei dem die Temperatur des Abgases looo OC und die Temperatur des verbreiterten Kragens 1A 500 °C betrug. Wasser mit 20 °C wurde während 6 Sek. in einer Menge von 200 cm³ je Sekunde auf jede Anordnung gegossen. Anschließend wurde die Zerstörung des festen Zirkoniumoxid-Elektrolytkörpers untersucht.In this way, an oxygen detector as shown in FIG obtain. Thereafter, each oxygen detector thus obtained became connected to the Abyas line 9 of an internal combustion engine and in an operating state held at which the temperature of the exhaust gas is looo OC and the temperature of the widened collar 1A was 500 ° C. Water at 20 ° C was added for 6 seconds. poured on each assembly at an amount of 200 cc per second. Afterward the destruction of the zirconia solid electrolyte body was investigated.

Tabelle 1 Zusammensetzung des festen Zirkoniumoxid-Elektrolyten (Gewichts-%) Probe- Biege- ZrO2 Y2O3 CaO MgO Al2O3 SiO2 nummer festigkeit (N/cm²) W 90 9 1 29 400 X 83 17 14 700 Y 90 7 1 2 13 700 Z 97 .3 24 500 Tabelle 2 Abmessung des festen Zirkoniumoxid-Elektrolytkörpers (mm) nummer k 1 m n 0 U A 13 3 15 9 6.5 50 B 11 3 13 8 5 50 C 9 3 10 6 4 50 D | 8 8 1 9 6 4 50 E 6 2 8 5 3 50 Tabelle 3 Bemessung des Metallgehäuses (mm) Probe- Werkstoff p q r s t v nummer F SUS 304 17.5 2 15.3 24 12 27 G SUS 304 15.5 2 13.3 24 10 27 H SUS 304 12.3 2 10.3 24 8 27 I SUS 304 11.2 5 9.2 24 8 27 J SUS 403 10.2 2 8.2 18 7 27 + SUS ... rostfreier Stahl Tabelle 4 Abmessung Form des Zusammen- Rißbildung Probe- des Zirko- Metall- setzung des nach nummer niumoxid- gehäuses festen Zir- Sprüh- Elektroly- koniumoxid- wasser ten Elektrolyten % Stand No. 1 A F W 80 der No. 2 A F X 100 Technik No. 3 B G Y 100 No. 4 B G Z 70 vorlie- No. 5 C H W 0 gende No. 6 C H X 10 Erfindung No. 7 D I Y 10 No. 8 D J Z o Die Ergebnisse sind in den Tabellen 1 bis 4 dargestellt.Table 1 Composition of solid zirconia electrolyte (% by weight) Test bending ZrO2 Y2O3 CaO MgO Al2O3 SiO2 number strength (N / cm²) W 90 9 1 29 400 X 83 17 14 700 Y 90 7 1 2 13 700 Z 97 .3 24 500 Table 2 Dimension of Zirconia Solid Electrolyte Body (mm) number k 1 mn 0 U A 13 3 15 9 6.5 50 B 11 3 13 8 5 50 C 9 3 10 6 4 50 D | 8 8 1 9 6 4 50 E 6 2 8 5 3 50 Table 3 Dimensioning of the metal housing (mm) Sample material pqrstv number F SUS 304 17.5 2 15.3 24 12 27 G SUS 304 15.5 2 13.3 24 10 27 H SUS 304 12.3 2 10.3 24 8 27 I SUS 304 11.2 5 9.2 24 8 27 J SUS 403 10.2 2 8.2 18 7 27 + SUS ... stainless steel Table 4 Dimension shape of the joint cracking Trial of the zirconium metal settlement of the after number nium oxide housing solid zir spray Electrolyte oxide water th electrolyte% Booth No. 1 AFW 80 the No. 2 AFX 100 technology No. 3 BGY 100 No. 4 BGZ 70 present no. 5 CHW 0 area No. 6 CHX 10 invention No. 7 DIY 10 No. 8 DJZ o The results are shown in Tables 1-4.

Wie angegeben, wurde gefunden, daß jeder der Sauerstoffdetektoren Nr. 1 bis 4 mit verhältnismäßig großen Abmessungen des Stands der Technik in der Nachbarschaft der Kontaktfläche zwischen der eingefüllten Dichtungsmasse 1o und dem Dichtungsring 11 oder in der Nachbarschaft des verbreiterten Kragens 1A eine Rißbildung aufwies, daß jedoch weder der Sauerstoffdetektoren Nr. 5 bis 8 gemäß der Erfindung mit einer Abmessung, die kleiner als die angegebene Abmessung war, keinerlei Rißbildung oder nur eine Rißbildung in sehr geringem Umfang aufwies. Der Wassergießtest wurde mit jedem der Sauerstoffdetektoren durchgeführt, wobei die Abmessung q des in Fig. 4 dargestellten Metallgehäuses 8 einen Wert von 2 mm aufwies. Der Innendurchmesser d) des in Fig. 3 dargestellten festen Zirkoniumoxid-Elektrolytkörpers betrug 2 mm, der Außendurchmesser k des Elektrolytkörpers wurde von 5 bis 20 mm variiert und die Abmessung des verbreiterten Kragens war die gleiche wie im obigen Fall, wobei die Ergebnisse in Fig. 5 dargestellt sind. Wie aus Fig. 5 ersichtlich, hat sich gezeigt, daß, ungeachtet kleiner Unterschiede entsprechend dem Typ des verwendeten festen Zirkoniumoxid-Elektrolytkörpers' die Häufigkeit eines Schadens oder einer Zerstörung des Sauerstoffdetektors bemerkenswert gering wird, wenn der Außendurchmesser k des Abschnitts des festen Zirkoniumoxid-Elektrolytkörpers in der Nachbarschaft der Kontaktfläche zwischen der zwischen dem Metallgehäuse und dem festen Zirkoniumoxid-Elektrolyten eingefüllten Dichtungsmasse und dem Dichtungsring zum Zusammenpressen der Dichtungsmasse nicht mehr als 9 mm beträgt. Ferner wurde ein Wassergießtest ähnlich dem vorausgehend aufgeführten jeweils mit Sauerstoffdetektoren durchgeführt, bei welchem die Abmessung des Metallgehäuses, der Innendurchmesser des festen Zirkoniumoxid-Elektrolyten, die Abmessung der Dichtungsmasse und die Testbedingungen jeweils die gleichen wie beim vorausgehend beschriebenen Wassergießtest waren und ferner m/k auf 1,5 festgesetzt wurde, um das Auftreten von Schäden hauptsächlich am maximalen Durchmesserabschnitt des festen Zirkoniumoxid-Elektrolytkörpers zu gestatten, wobei m von 6 bis 20 mm variiert wurde. Die Ergebnisse sind in Fig. 6 dargestellt.As stated, it was found that each of the oxygen detectors Nos. 1 to 4 with relatively large dimensions of the prior art in the Neighborhood of the contact area between the filled sealant 1o and the sealing ring 11 or in the vicinity of the widened collar 1A Showed cracking, but neither of the oxygen detectors Nos. 5 to 8 according to FIG the invention with a dimension that was smaller than the specified dimension, exhibited no cracking or only very little cracking. Of the Water pour test was performed with each of the oxygen detectors, with the Dimension q of the metal housing 8 shown in FIG. 4 had a value of 2 mm. The inner diameter d) of the zirconia solid electrolyte body shown in FIG was 2 mm, the outer diameter k of the electrolyte body became from 5 to 20 mm varied and the dimension of the widened collar was the same as the above Case where the results are shown in FIG. As can be seen from Fig. 5, it has been shown that, regardless of small differences depending on the type of used solid zirconia electrolyte body 'the incidence of damage or destruction of the oxygen detector becomes remarkably small when the Outer diameter k of the portion of the zirconia solid electrolyte body in the vicinity of the contact area between that between the metal housing and the zirconia solid electrolyte and the sealing ring to compress the sealant is no more than 9 mm. Furthermore, was a water pour test similar to the one listed above, each with oxygen detectors performed, in which the dimension of the metal case, the inner diameter of the solid zirconia electrolyte, the size of the sealant and the The test conditions are the same as in the water pouring test described above and furthermore, m / k was set to 1.5 to mainly make the occurrence of damage at the allow the maximum diameter portion of the zirconia solid electrolyte body, where m was varied from 6 to 20 mm. The results are shown in FIG.

Wie aufs Fig 6 ersichtlich, hat sich gezeigt, daß die Häufigkeit des Schadens oder einer Zerstörung des Sauerstoffdetektors bemerkenswert gering wird, wenn der maximale Außendurchmesser m des festen Zirkoniumoxid-Elektrolytkörpers nicht größer als 11 mm ist. Dabei wurde gefunden, daß wenn die Abmessung des besonderen Abschnitts des festen Zirkoniumoxid-Elektrolytkörpers, an dem Risse infolge Sprühwassers am wahrscheinlichsten auftreten, kleiner als jene eines üblichen festen Zirkoniumoxid-Eiektrolytkörpers gewählt wird, d.h.As can be seen in FIG. 6, it has been shown that the frequency of the Damage or destruction of the oxygen detector becomes remarkably small, when the maximum outer diameter m of the zirconia solid electrolyte body is not larger than 11 mm. It was found that if the dimensions of the particular Section of zirconia solid electrolyte body where cracks from water spray are most likely to occur, smaller than that of a common zirconia solid electrolyte body is chosen, i.e.

-nicht größer als die angegebene Abmessung, Sprünge im erfindungsgemäßen-Sauerstoffdetektor kaum auftreten, selbst wenn sie Sprühwasser- ausgesetzt sind, soweit die Verwendung innerhalb~des praktisch auftretenden Temperaturbereichs liegt.-not larger than the specified dimension, cracks in the oxygen detector according to the invention rarely occur even when exposed to water spray, as far as use is within ~ the practically occurring temperature range.

D.h. der erfindungsgemäße Sauerstoffdetektor hat hervorragende Eigenschaften ungeachtet seines sehr einfachen Aufbaus.That is, the oxygen detector according to the invention has excellent properties notwithstanding its very simple structure.

Da der Sauerstoffdetektor mit dem vorausgehend beschriebenen Aufbau weniger der Wahrscheinlichkeit unterliegt, daß sein Haupte-lement durch Sprühwasser beschädigt wird, kann er an den Hochtemperaturabschnitt der Abgasleitung eines Kraftfahrzeugs angeschlossen werden. Da aus diesem Grund der Sauerstof-fdetektor rasch erwärmt wird, wird er schnell zum Zeitpunkt des starteriden Motors aktiviert und da er nahe-am Motor angeordnet ist, spricht er rasch auf den Motorbetrieb an.As the oxygen detector has the structure described above is less likely to have its main element due to water spray If damaged, it can reach the high-temperature section of the exhaust pipe of a motor vehicle be connected. Because of this, the oxygen detector heats up quickly it is activated quickly at the time of the starter engine and since it is close to Motor is arranged, it responds quickly to the engine operation.

Die Erfindung beseitigt. ferner das Erfordernis einer getrennten wasserdichten Abdeckung und gestatten eine Miniaturisierung des Sauerstoffdetektors, so daß durch die Erfindung auch wirtschaftliche Vorteile erzielt werden. Da ferner das Gewicht der Anordnung durch die Verringerung des Durchmessers derselben-gering wird, ergibt sich für die Kraft, die dem Produkt der Kraftfahrzeugbeschleunigung und dem Gewicht der Anordnung entspricht und die bei Schwingungen des Kraftfahrzeugs auf die Dichtungsmasse einwirkt, ein geringer Wert, so daß die Verringerung der Gasdichtigkeit der Dichtungsmasse gering bleibt.The invention eliminated. also the requirement of a separate watertight Cover and allow miniaturization of the oxygen detector, so that by the invention also provides economic benefits. There is also the weight the arrangement becomes small by reducing the diameter thereof look for the force, which is the product of the motor vehicle acceleration and the weight corresponds to the arrangement and which occurs when the motor vehicle vibrates the Sealant acts, a low value, so that the reduction in gas tightness the sealant remains low.

Wie vorausgehend im einzelnen erläutert wurde, unterliegt der erfindungsgemäße Sauerstoffdetektor viel weniger der Gefahr/ durch Sprühwasser infolge des thermischen Schocks beschädigt oder zerstört zu werden. Der erfindungsgemäße Sauerstoffdetektor kann daher ohne weiteres lange Zeit eingesetzt werden, so daß er in wirtschaftlicher Hinsicht sehr vorteilhaft ist.As was explained in detail above, the subject of the invention Oxygen detector much less of the risk / water spray as a result of the thermal Shocks to be damaged or destroyed. The oxygen detector according to the invention can therefore easily be used for a long time, so that it is economical Respect is very beneficial.

Claims

Oxygen detector claims: 1. Oxygen detector with a bottomed cylindrical solid electrolyte body closed at one end, which is constructed such that an oxygen detection unit, which by arrangement formed by electrodes on the outer and inner surfaces of the solid electrolyte body is received within a metal housing, the electrolyte body an annular, widened collar at an intermediate position between the closed one End portion and an open end portion of the bottomed cylindrical, having solid electrolyte body, a sealant between the metal housing and the solid electrolyte body is arranged and underneath by a sealing ring Pressure is applied and the oxygen detector to the exhaust pipe of an engine a motor vehicle is connected so that the inner and outer electrodes in Get in contact with air and exhaust gases, so that the oxygen partial pressure in the exhaust gas using the working principle an oxygen concentration cell is measured, by the fact that the outside diameter of a Section of the zirconia solid electrolyte body in the vicinity of a Interface between the sealing compound (10) and the sealing ring (11) with 9 mm or less and the maximum outer diameter of the annular ' enlarged portion (1A) of the zirconia solid electrolyte body of 11 mm or less is set so that the oxygen detector is resistant to damage or breakage as a result of water spray.

2. Oxygen detector according to claim 1, characterized in that g e k e n n -z e i c h n e t that the outer diameter of a portion of the zirconia solid electrolyte body in the vicinity of the sealing ring (11) is 8 mm or less.

3. Oxygen detector according to claim 1, characterized in that g e k e n n -z e i c h n e t that the maximum outside diameter of the annular, widened portion (1A) of the zirconia solid electrolyte body is 10 mm or less.

4. Oxygen detector according to claim 1, characterized in that g e k e n n -z e i c h n e t that the solid zirconium oxide electrolyte consists of a partially stabilized ZrO2 with Y 203 or fully stabilized ZrO2 with Y203.

5. Oxygen detector according to claim 1, g e k e n n z e i c h -n e t by: (A) A tubular, ion-conductive, solid zirconia electrolyte body (1) which is closed at one end and open at the other end, (B) an electrode layer (3) overlying the closed end portion of the outer surface of the electrolyte is applied up to the area of the collar (1A) or further, (C) an inner electrode layer (2) which extends over the hollow interior of the tubular, solid zirconium oxide electrolyte body is applied, (D) a housing (8) for Holds the solid zirconium oxide electrolyte body, (E) a heat-resistant sealant (10) in the space between the solid zirconium oxide electrolyte body (1) and the housing (8) to form a gas-tight seal at the operating temperature is filled up to about -500 OC, (-F) a central electrode (14), which is connected to the free end of the electrolyte body, (G) an electrical one Connecting terminal (16) which is held by a spring on the central electrode, (H) an insulator (17) resting on the connecting terminal (16), (I) an insulator between the insulator and an upper edge of the housing (8) arranged cap (12) which presses with its lower flange against the sealing ring and (J) a protective cover (6) with a sensor section (4), the passage of exhaust gases is exposed to an internal combustion engine.