DE3023781C2 - Sauerstoff-Fühler mit einem rohrförmigen Feststoffelektrolyten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Sauerstoff-Fühler mit einem rohrförmigen Feststoffelektrolyten, der an einem Ende geschlossen ist und auf der Innen- und der Außenseite mil Elektroden belegt ist, wobei die Außenseite des Feststoffelektrolyten den Verbrennungsgasen eines Brennkraftmoiors ausgesetzt wird, die Innenelektrode mit Umgebungsluft in Berührung ist und wenigstens zwei durch einen Durehmesserübcrgangsabschnitt miteinander verbundene Öffnungsabschnitte mit unterschiedlichem Durchmesser aufweist, wobei der Öffnungsabschnitt mit dem größten Durchmesser an dem nicht geschlossenen Ende des Fühlers gelegen ist und wobei der Sauerstoff- Partialdruck im Verbrennungsgas bei Ausnutzung des Prinzips einer Sauerstoff-Konzentrationszelle gemessen wird.

Ein derartiger Sauerstoff-Fühler mit einem rohrförmigen Feststoffelektrolyten ist aus der DE-OS 23 04 359 bekannt

Bei dieser bekannten Konstruktion ist zwar die Innenfläche des rohrförmigen Feststoffelektrolyten aus

zwei Öffnungsabschnitten mit unterschiedlichem Durchmesser aufgebaut, wobei der öffnungsabschnitt mit dem größeren Durchmesser am offenen Ende des Fühlers gelegen ist, jedoch dient dieser öffnungsabschnitt mit dem größeren Durchmesser nicht dazu die Halterung des Fühlers an einem Anschlußteil zu verbessern bzw. stabiler zu gestalten. Das bei dieser bekannten Konstruktion verwendete Anschlußteil hat einen kleineren Durchmesser als der Innendurchmesser des weiteren Öffnungsabschnitts.

Auch ist ein Sauerstoff-Fühler zur genauen Oberprüfung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses dv.rch Messung der Sauentoff-Konzentration in den Verbrennungsauspuffgasen einer Verbrennungskraftmaschine mittels einer Sauerstoff-Konzentrationszelle, welche einen sauerstoffionenleitenden Feststoffelektrolyten enthält wie Zirkon oder dgl., 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 4 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 über einen Ring aus flexiblem Bleimaterial 6

Ί5 im weiten öffnungsabschnitt 2 und im Erweiterungsabschnitt 3 verbunden ist, während der Etweiterungsabschnitt 3 mit der metallischen Anschlußklemme 7 in Verbindung steht. Somit muß die metallische Anschluß klemme eine Gestalt haben, daß die Außenflächen ihres

so 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 8 und des mittleren Abschnitts 9 werden jedoch in Wirklichkeit kleiner gemacht als die Innendurchmesser des engen Abschnitts 5 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 Teilen 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 beispiels-

•>5 weise 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 dz.bei Sauerstoff verbraucht, und der Sauerstoff-Par:ialdruck des Standardgases schwankt, während Außendurchmesser und Innendurchmesser des herkömmlichen Festelektrolyten im Prüfbereich etwa 8 bzw. 5 mm betragen u.,d der Innendurchmesser irn weiten Öffnungsabschnitt 2 und im engeii Öffnungsabschnitt 5 etwa 8 bzw. 5 mm betragen und der Innendurchmesser des hohlen Teils 10 der metallischen Anschlußklemme 7 relativ groß ist also etwa 4 mm gemacht werden kann, so daß das Standardgas leicht durch den hohlen Teil 10 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 7 1 mm, damit ihre mechanische Festigkeit erhalten bleibt. Wenn dann eine geringe Menge Graphit des flexiblen Leitermaterials brennt 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 10 nur schlecht, und es ist, wie in Fig.2 gezeigt, eine große Zeitspanne erforderlieh, 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 Prüfabschnitts 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 einen mit Brennstoff übersättigten Automobil-Auspuffgas bei 600⁰C 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 Kontaktgabe schlecht sind.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht daher darin, den Sauerstoff-Fühler der eingangs definierten Art hinsichtlich seiner thermischen Stoßfestigkeit und hinsichtlich eines schnellen Ansprechverhaltens zu verbessern.

Ausgehend von dem Sauerstoff-Fühler mit einem rohrförmigen Feststoffelektrolyten der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Innenraum des rohrförmigen Feststoffelektrolyten bzw. der Innenelektrode drei hintereinander liegende Öffnungsabschnitte mit unterschiedlichem Durchmesser aufweist, wobei der Durchmesser der drei Öffnungsabschnitte in Richtung zum geschlossenen Ende des Sauerstoff-Fühlers hin schrittweise kleiner wird, so daß der im Bereich des geschlossenen Endes des Sauerstoff-Fühlers gelegene öffnungsabschnitt den kleinsten Durchmesser hat, daß sich der öffnungsabschnitt mit dem kleinsten Durchmesser im wesentlichen über die gesamte Länge eines aktiven Detektorabschnitts des Fesistoffelektrolyten erstreckt, der dem Verbrennungsgas ausgesetzt ist, und in daß dieser engste Öffnungsabschnitt einen Durchmesser nicht größer als 3 mm aufweist

Bei der erfindungsgemäßen Konstruktion soll der Innendurchmesser des engsten Öffnungsabschnitts, der den Verbrennungsgasen ausgesetzt ist, nicht größer als 3 mm sein. Durch dieses letztere Merkmal wird die thermische Stoßfestigkeit wesentlich verbessert und der Sauerstoff-Fühler erreicht auch eine schnelles Ansprechverhalten, wenn die zugeordnete Brennkraftmaschine im kalten Zustand gestartet wird.
Um bei dem Sauerstoff- Fühler nach der Erfindung die thermische Festigkeit noch weiter zu verbessern und einen zuverlässigen leitenden Übergang am Öffnungsende des Feststoffelektrolyten zu schaffen, ist der öffnungsabschnitt mit dem größten Durchmesser vorgesehen, so daß ein Anschlußteil mit entsprechend großem Außendurchmesser verwendet werden kann und dadurch die gewünschte mechanische Festigkeit erreicht wird.

Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterjn bildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Hinweis auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen in Achsrichtung verlaufenden Längsschnitt durch einen bekannten Sauerstoff-Fühler mit Feststoffelektrolyt;

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

F i g. 3 und 4 Längsschnitte in Achsrichtung durch zwei Ausführungsbeispiele von Feststoffelektrolyten für Sauerstoff-Fühler mit Merknalen nach der Erfindung; und

F i g. 5 ein Kurvendiagramm der elektromotorischen Kraft dieser Fühler über der Zeit.

Die erste in F i g. 3 dargestellte Ausführungsform des Sauerstoff-Fühlers mit Merkmalen nach der Erfindung zeigt einen rohrförmigen Feststoffelektrolyten 14 mit geschlossenem Vorderende aus Zirkondioxyd oder einer vergleichbaren Substanz, der mii Elektroden 21 und 22 auf der Innen- bzw. Außenfläche gelegt ist, wobei der Innendurchmesser des Abschnitts 13, der den Verbrennungsgasen ausgesetzt ist, nicht größer als 3 mm ist. Die Innenwand erweitert sich zum öffnungsende hin in einen weiten Öffnungsabsnhnkt 15 und geht über einen ersten Verengungsabschnitt 16, in dem das die Verbindung mit der Inrienelektrode schaffende f>o flexible Leitermaterial eingesetzt wird, in einen Zwischenabschnitt 19 über, der im wesentlichen konstanten Innendurchmesser besitzt und etwas enger als der öffnungsabschnitt 15 mit größtem Durchmesser ist, jedoch weiter als der öffnungsabschnitt 18 im t>5 vorderen Prüfteil. Die Verbindung zwischen dem öffnungsabschnitt 19 und dem öffnungsabschnitt 18 stellt ein Übergangsabschnitt 20 her. Der öffnungsabschnitt 18 erstreckt sich vom Übergangsabschnitt 20 bis

zum geschlossenen Ende 17 und kann konstanten Durchmesser haben, wie in F i g. 3 gezeigt, oder auch im Durchmesser zum geschlossenen Ende hin abnehmen, wie dies die Fig.4 andeutet. Auch andere Formen sind möglich. Der Abschnitt 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,ii mm, womit eine gute thermische Festigkeit erzielt wird. Um diese thermische Festigkeit noch zu verbessern und um einen zuverlässi- ι ο gen leitenden Übergang am öffnungsende des Feststoffelektrolyten zu schaffen, ist am Ende des Öffnungsabschnitts 15 der Außendurch messer vorzugsweise 4—10 mm, insbesondere 6—8 mm, und der Innendurchmesser 4—6 mm, insbesondere 4 —5 mm, während für den Öffnungsabschnitt 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 Öffnungsabschnittes mit dem kleinsten Durchmesser zwischen dem Verengungsbereich 20 und dem geschlossenen Ende 17 sollte möglichst mehr als '/« seiner Länge betragen, damit der gute Luftaustausch nicht behindert wird.

Der Sauerstoff-Fühler mit dem oben beschriebenen Aufbau nimmt den Mittelteil 9 der metallischen Anschlußklemme 7 auf, der in den Öffnungsabschnitt 15 am oberen Ende eingesetzt wird, während der sich an den Mittelabschnitt anschließende Fortsatz 8 in den Öffnungsabschnitt 19 eindringt. Der Durchmesser der Durchgangsbohrung 10 der metallischen Anschlußklemme 7 kann folglich vergrößert werden, und auch dann, wenn flexibles Leitermaterial 6 in den geschlossenen Endabschnitt 17 des Sauerstoff-Fühlers 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 Norrnal-EMK binnen kurzem wieder hergestellt, wie dies die F i g. 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.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Sauerstoff-Fühler 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 Brennkraftmotcrs ausgesetzt wird, die Innenelektrode mit Umgebungsluft in Berührung ist und wenigstens zwei durch einen Durchmesserübergangsabschnitt miteinander verbundene Öffnungsabschnitte mit unterschiedlichem Durchmesser aufweist, wobei der Öffnungsabschnitt mit dem größten Durchmesser an dem nicht geschlossenen Ende des Fühlers gelegen ist und wobei der Saucrstoff-Partialdruck im Verbrennungsgas bei Ausnutzung des Prinzips einer Sauerstoff-Konzentrationszelle gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenraum des rohrförmigen Feststoffelektrolyten (14) bzw. der Innenelektrode drei hintereinander liegende Öffnungsabschnitte mit unterschiedlichem Durchmesser aufweist, wobei der Durchmesser der drei Öffnungsabschnitte in Richtung zum geschlossenen Ende des Sauerstoff-Fühlers hin schrittweise kleiner wird, so daß der im Bereich des geschlossenen Endes des Sauerstoff-Fühlers gelegene Öffnungsabschnitt den kleinsten Durchmesser hat, daß sich der Öffnungsabschnitt (18) mit dem kleinsten Durchmesser im wesentlichen über die gesamte Länge eines aktiven Detektorabschnitts des Feststoffelektrolyten erstreckt, der dem Verbrennungsgas ausgesetzt ist, und daß dieser engste Öffnungsabschnitt (18) einen Durchmesser nicht größer als 3 mm aufweist.

2. Sauerstoff-Fühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der engste Öffnungsabschnitt (18) im Feststoffelektrolyten (14) einen Außendurchmesser zwischen 2 und 5 mm und einen mittleren Innendurchmesser zwischen 1 undl 3 mm hat, während der weite öffnungsabschnitt einen Außen durchmesser 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. Sauerstoff-Fühler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der engste Öffnungsabschnitt (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 mittlere Öffnungsabschnitt einen Innendurchmesser von 3—4 mm haben.

4. Sauerstoff-Fühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Innendurchmesser des engsten Abschnitts (18) des Feststoffelektrolyten größer als V50 der Länge dieses Abschnitts ist.