DE3023781A1 - Sauerstoff-fuehler - Google Patents

Description

NGK INSULATORS, LTD.,
Nagoya City / JAPAN

Sauerstoff-Fühler

Die Erfindung betrifft einen Sauerstoff-Fühler zum Messen der Sauerstoff-Konzentration in Verbrennungsabgasen von Brennkraftmotoren, wobei die Sauerstoff-Konzentration in einer Zelle gemessen wird, die einen Feststoffelektrolyten enthält.

Ein Sauerstoff-Fühler zur genauen Überprüfung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses durch Messung der Sauerstoff-Konzentration in den Verbrennungsauspuffg.isen einer Verbrennungskraftmaschine mittels einer Sauerstoff-Konzentrationszelle, welche einen sauerstoff ionenleitenden Feststoffelektrolyten enthält wie Zirkon od. dgl., ist bekannt. Ein derartiger Fühler hat einen Aufbau gemäß Fig. 1, also einen rohrförmigen Festelektrolyten 1, der an einem Ende geschlossen ist und am anderen Ende eine weite Öffnung 2 besitzt, in der eine innere Elektrode 11 steckt, die mit einem metallischen Anschluß 7 über ein flexibles Leitermaterial 6 in Verbindung steht. Die weite Öffnung 7 geht in einem Verengungsabschnitt 3 in einen engeren öffnungsteil 5 mit konstantem Durchmesser über, der sich bis zum geschlossenen Ende hin erstreckt. Dieser Feststoffelektrolyt 1 ist mit Elektroden 11 und 12 an der Innenfläche bzw. Außenfläche versehen, wobei die Innenelektrode 11 leitend mit dem metallischen Anschluß 7

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über einen Ring aus flexiblem Bleimaterial 6 im weiten Öffnungsabschnitt 2 und im Erweiterungsabschnitt 3 verbunden ist, während der Erweiterungsabschnitt 3 mit der metallischen Anschlußklemme 7 in Verbindung steht. Somit muß die metallische Anschlußklemme eine Gestalt haben, daß die Außenflächen ihres inneren Endes 8 und ein Mittelabschnitt 9 an der Innenfläche des engeren Öffnungsteils 5 bzw. des weiteren Öffnungsabschnitts 2 anliegen. Die Außendurchmesser des inneren Endes und des mittleren Abschnitts 9 werden jedoch in Wirklichkeit kleiner gemacht als die Innendurchmesser des engen Abschnitts und des weiteren Abschnitts 2 des Feststoffelektrolyten 1, da dieser einerseits bei starker Erhitzung schrumpft und da andererseits die Herstellungsgenauigkeit der metallischen Anschlußklemme 7 berücksichtigt werden muß, so daß zwischen den Zeilen ein kleiner Spalt auftreten kann. Es kann dann nicht vermieden werden, daß geringe Mengen des flexiblen Leitermaterials 6 beim Zusammenbau des Sauerstoff-Fühlers oder aufgrund von Vibration während der Prüfung beispielsweise an einem Automobil in den Fühler hineinfallen.

Als flexibles Leitermaterial 6 wird meist Graphit verwendet, das dann in das geschlossene Ende 4 des Fühlers hineinfallen kann.

Das geschlossene Ende 4 ist nun aber dazu vorgesehen, die Sauerstoff-Konzentration im Verbrennungsabgas festzustellen, und wird deshalb erhitzt, so daß der Graphit verbrennt und dabei Sauerstoff verbraucht, und der Sauerstoff-Partialdruck des Standardgases schwankt, während Außendurchmesser und Innendurchmesser des herkömmlichen Festelektrolyten im Prüfbereich etwa 8 bzw. 5 mm betragen und der Innendurchmesser im weiten Öffnungsabschnitt 2 und im engen Öffnungsabschnitt 5 etwa 8 bzw. 5 mm betragen und der Innendurchmesser des hohlen Teils 10 der metallischen Anschlußklemme 7 relativ groß, also etwa 4 mm gemacht werden kann, so daß das Standardgas leicht durch den hoh-

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len Toil TO hindurchgelangt und stets frische Luft zum geschlossenen Endabschnitt 4 kommt, wobei dann der Sauerstoff-Fühler normal betrieben werden kann. Wenn jedoch der Durchmesser des Festelektrolyten kleiner gemacht werden soll, um seine thermische Festigkeit und seine Einsatzbereitschaft vom kalten Zustand aus zu verbessern, wenn also beispielsweise der Außendurchmesser des Prüfabschnitts 4 mm beträgt, der Innendurchmesser des geschlossenen Endabschnitts 4 dann 2 mm, der Durchmesser des weiteren Öffnungsabschnitts 2 4 mm und der Durchmesser des engeren Öffnungsabschnitts 5 2 mm sind, dann wird der Durchmesser der Bohrung 10 in der metallischen Anschlußklemme 1 mm, damit ihre mechanische Festigkeit erhalten bleibt. Wenn dann eine geringe Menge Graphit des flexiblen Leitermaterials in den geschlossenen Endabschnitt 4 hineinfällt und dort verbrennt und der Sauerstoff-Partialdruck des Standardgases dadurch verändert wird, dann ist die Durchdringung oder Diffusion mit frischer Luft wegen des nur geringen Durchmessers der Bohrung nur schlecht, und es ist, wie in Fig. 2 gezeigt, eine große Zeitspanne erforderlich, um mit dem Sauerstoff-Fühler normal arbeiten zu können. Fig. 2 zeigt die Änderung der elektromotorischen Kraft in Abhängigkeit von der Zeit, die an Sauerstoff-Fühlern der in Fig. 1 gezeigten Art gemessen worden ist, wobei die Innendurchmesser des Prüfabschnittes 2, 3 bzw. 4 mm und folglich die Bohrungsdurchmesser der metallischen Anschlußklemme 1, 2 und 3 mm betragen, wenn 5 mg Graphit in den geschlossenen Endabschnitt 4 hineingefallen sind. Die Kurven wurden aufgenommen, indem der Sauerstoff-Fühler einem mit Brennstoff übersättigten Automobil-Auspuffgas bei 600 ⁰C ausgesetzt wurde. Vorzugsweise hat die metallische Anschlußklemme 7 eine Stärke von mehr als 0,5 mm, damit sie den praktischen Anforderungen an die Festigkeit genügt. Dort, wo der Innendurchmesser des Prüfabschnitts kleiner ist, kann nur wenig flexibles Leitermaterial untergebracht werden, und der Bereich für das Herausleiten des Potentials von der inneren Elektrode und damit die Kontaktfläche sind klein, so daß die Zuverlässigkeit der Kontakt-

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gäbe gering und gegebenenfalls die elektrische Leitfähigkeit schlecht sind.

Zur Vermeidung vorstehend aufgeführter Nachteile liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Sauerstoff-Fühler zu schaffen, der bei kleinem Durchmesser des Festelektrolyten zum Zwekke der Erhöhung der thermischen Festigkeit und einer kurzen Ansprechzeit aus dem kalten Zustand stabile Betriebsbedingungen hat. Ein solcher Sauerstoff-Fühler soll sehr zuverlässig arbeiten und sich leicht in seinen Einzelteilen herstellen und zusammenbauen lassen. Schließlich ist bei der Lösungsfindung darauf zu achten, daß sich der Elektrolytkörper bei seiner Herstellung in einer Preßform zu einem rohrförmigen Feststoffelektrolyten mit geschlossenem Ende nicht deformiert.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 einen in Achsrichtung verlaufenden Längsschnitt durch einen bekannten Sauerstoff-Fühler mit Feststoffelektrolyt;

Fig. 2 ein Kurvendiagramm, welches die Änderung der elektromotorischen Kraft über der Zeit bei verschiedenen Innendurchmessern des Feststoffelektrolyten angibt;

Fig. 3

und 4 Längsschnitte in Achsrichtung durch zwei Ausführungsbeispiele von Feststoffelektrolyten für Sauerstoff-Fühler nach der Erfindung; und

Fig. 5 ein Kurvendiagramm der elektromotorischen Kraft dieser Fühler über der Zeit.

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Die erste, in Fig. 3 dargestellte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sauerstoff-^Fühlers zeigt einen rohrförmigen Feststof f elektrolyten 14 mit geschlossenem Vorderende aus Zirkondioxyd oder einer vergleichbaren Substanz, der mit Elektroden 21 und 22 auf der Innen- bzw. Außenfläche gelegt ist, wobei der Innendurchmesser des Prüfabschnitts 13, der den Verbrennungsgasen ausgesetzt ist, nicht größer als 3 mm ist. Die Innenwand erweitert sich zum öffnungsende hin in einen weiten Öffnungsabschnitt 15 und geht über einen ersten Verengungsabschnitt 16, in dem das die Verbindung mit der Innenelektrode schaffende flexible Leitermaterial eingesetzt wird, in einen Zwischenabschnitt 19 über, der im wesentlichen konstanten Innendurchmesser besitzt und etwas enger als der weite Öffnungsabschnitt 15 ist, jedoch weiter als der enge Abschnitt 18 im vorderen Prüfteil. Die Verbindung zwischen dem mittleren Abschnitt 19 und dem engen Endabschnitt 18 stellt ein Übergangsabschnitt 20 her. Dieser enge Abschnitt 18 erstreckt sich vom Übergangsabschnitt 20 bis zum geschlossenen Ende 17 und kann konstanten Durchmesser haben, wie in Fig. 3 gezeigt, oder auch im Durchmesser zum geschlossenen Ende hin abnehmen, wie dies die Fig. 4 andeutet. Auch andere Formen sind möglich. Der Prüfabschnitt 13 des Feststoffelektrolyten hat einen bevorzugten Außendurchmesser von 2-5 mm, insbesondere 3-4 mm,'und einen Innendurchmesser von 1-3, insbesondere 1,5 - 2,5 mm, womit eine gute thermische Festigkeit erzielt wird. Um diese thermische Festigkeit noch zu verbessern und um einen zuverlässigen leitenden übergang am Öffnungsende des Feststoffelektrolyten zu schaffen, ist am weiten öffnungsende der Außendurchmesser vorzugsweise 4-10 mm, insbesondere 6 - 8 mm, und der Innendurchmesser 4-6 mm, insbesondere 4-5 mm, während für den Zwischenabschnitt 19 ein Innendurchmesser von vorzugsweise 2 - 5 mm, insbesondere 3-4 mm gewählt wird, damit der Luftaustausch leicht stattfinden kann. Ein Durchschnittswert für den Innendurchmesser des engen Öffnungsabschnittes zwischen

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dem Vereng'ungsbereich 20 und dsm geschlossenen Ende 17 sollte möglichst u-.-zhr als 1/50 seiner Länge betragen, damit der gute Luftaustausch nicht behindert 7.*ird.

Die erf induncj> gsraäße Sauerstof ^-Prüfvorrichtung mit wie oben beschriebener.: Aufbau nimmt den I-Iictelteil ? der metallischen An-3chIuS]:le:v.:.v3 7 auf, der in den weiten Öffnungsabschnitt 15 am oberen Ende eingesetzt wird, während der sich an den Mittelabschnitt anschließende Fortsatz 8 in den Zwischenabschnitt 19
eindringt. Der Durchmesser der Durchgangsbchrung 1G der metallischen Anschlußklemme 7 kann folglich vergrößert werden,
und auch dann, wenn flexibles Leitermaterial 6 in den geschlossenen Endabschnitt 17 des Sauerstoff-Prüfers beim Zusammenbau oder aufgrund von Vibrationen während des Prüfverfahrens hineinfällt und darin verbrennt, so daß der Sauerstoff-Partialdruck der darin befindlichen Luft, die als Standardgas dient, sich ändert, wird doch die Normai-EMK binnen kurzem wieder
hergestellt, wie dies die Fig. 5 zeigt. Da außerdem der Durchmesser des flexiblen Leitermaterials 6 vergrößert ist, erhöht sich die Zuverlässigkeit des Leitungsübergangs vom Sauerstoff-Fühler an seinem Anschluß zur Elektrode, und die Handhabung
des Leitermaterials beim Zusammenbau ist erleichtert. Darüber hinaus treten kaum Verformungen des Kerns während des Preßformverfahrens des Feststoffelektrolyten auf, und das Formverfahren selbst läßt sich leicht durchführen. Damit ist die Verbesserung im Gebrauch und in der Zuverlässigkeit des Sauerstoff-Fühlers, insbesondere bei der Überprüfung der Auspuffgase von Automobilen, deutlich nachgewiesen.

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Claims (4)

1. NGK INSULATORS, LTD,
   Nagoya City / JAPAN

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   Patentansprüche

   'Λ j Sauerstoff-Fühl- oder -Prüfgerät mit einem rohrförmigen Feststoffelektrolyten, der an einem Ende geschlossen ist und auf der Innen- und der Außenseite mit Elektroden belegt ist, wobei die Außenseite des Feststoffelektrolyten den Verbrennungsgasen eines Brennkraftmotors ausgesetzt wird und die Innenelektrode mit Umgebungsluft in Berührung ist, so daß der Sauerstoff-Partialdruck im Verbrennungsgas bei Ausnutzung des Prinzips einer Sauerstoff-Konzentrationszelle gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenfläche des rohrförmigen Feststoffelektrolyten (14) einen ersten Durchmesserübergangsabschnitt (16) aufweist, der den Übergang von einem weiten Öffnungsabschnitt (15) des Elektrolytinnenraums zu einem Öffnungsabschnitt (19) von mittlerer Weite und im wesentlichen konstantem Durchmesser bildet, und einen zweiten Übergangsabschnitt (20) aufweist, der vom Abschnitt (19) mit mittlerer Weite in einen engen Abschnitt (18) überleitet, dessen Durchmesser kleiner als der Durchmesse!: des mittleren Abschnitts (19) ist und der sich bis zuia geschlossenen Ende (17) des Elektrolytinnenraums erstreckt, wobei sich in der Reihenfolge ihrer Aufzählung der weite Öffnungsabschnitt (15), der erste Übergangsabschnitt. (16), der mittlere Öffnungsabschnitt (19), der zweite Übergangsabschnitt (20) und der enge Öffnungsabschnitt (18) in Richtung zum geschlossenen Ende (17) hin aneinanderreihen und der mittlere Durchmesser des engen Abschnitts (18) nicht größer als 3 mm ist.

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2. 2. Sauarstoff-Fühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der enge Öffnungsabschnitt (18) im Feststoffelektrolyten (14) einen Außendurchmesser zwischen 2 und 5 mm und einen mittleren Innendurchmesser zwischen 1 und 3 nun hat, während der weite Öffnungsabschnitt einen Außendurchmesser zwischen 4 und 10 mm und einen Innendurchmesser zwischen 4 und 6 mm sowie der mittlere Öffnungsabschnitt einen Innendurchmesser zwischen 2 und 5 mm haben.
3. 3. Sauerstoff-Fühler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der enge Abschnitt (18) des Feststoffelektrolyten einen mittleren Außendurchmesser zwischen 2 und 4 mm und einen mittleren Innendurchmesser zwischen 1,5 und 2,5 mm hat, während der weite Öffnungsabschnitt (15) einen Außendurchmesser von 6-8 mm und einen Innendurchmesser von 4-5 mm und der Zwischenabschnitt einen Innendurchmesser von 3-4 nun haben.
4. 4. Sauerstoff-Fühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Innendurchmesser des engen Abschnitts (18) des Feststoffelektrolyten größer als 1/50 der Länge dieses Abschnitts ist.

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