DE3041581C2 - Sauerstoffsensor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Sauerstoffsensor , gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs I.

Viele Brennkraftmaschinen werden gegenwärtig mit O>-Sensoren zum Nachweis des Restes an Sauerstoff in den von dtr Maschine ausgestoßenen Abgasen versehen. Das Ausgangssignal des Sensors wird typischerweise zum Steuern des Luft/Brennstoffverhältnisses der Verbrennung in der Brennkraftmaschine oder zum Steuern der Reinigung der Abgase der Brennkraft.naschine mittels eines katalytischen Konverters benutzt.

Eine bekannte Konstruktionsform (DE-OS Π 02 578) eines solchen Sensors weist einen aus einem festen Elektrolyten wie Zirkonia. hergestellten rohrförmigen Elektrolytkörper auf. der als an einem Ende offenes und am anderen Ende geschlossenes Rohr ausgebildet isl.

wobei eine innere Elckirode auf die innere Oberfläche des rohrförmigen tlektrolytkörpers und eine äußere Elektrode auf die äußere Oberfläche des Elekirolytkörpers aufgebracht sind. Der rohrförmige Elektrolytkörper wird in den Abgasdurchgang der Brennkraftmaschine hineinragend angeordnet, so daß die äußere Elektrode den Abgasen ausgesetzt ist. während die innere Elektrode mit atmosphärischer Luft versorgt wird. Hierdurch wird zwischen der äuBuicn und der inneren Elektrode eine Spannung erzeugt, die entsp echend dem in den Abgasen vorhandenen Sauerstoffanteil variiert. Die atmosphärische Luft tritt durch Löcher in dem rohrförmigen Gehäuse unmittelbar in diesen Innenraum ein, wobei die Löcher durch eine äußere Abdeckkappe abgeschirmt sind, die Schikanen ^für den Frischluftzustrom enthält.

Bei einem derartigen Sauerstoffsensor ist es für das ; Erreichen der Genauigkeit des von ihm erzeugten elektrischen Ausgangssignals von größter Bedeutung, daß die Nachlieferung reiner und frischer atmosphärischer Luft zu dem Innenraum des rohrförmigen Elektrolytkörpers sowie der inneren Elektrode sichergestellt ist. Es lsi demnach wichtig, daß Verunreinigungen wie Feuchtigkeit, Öl, Staub, Schmutz usw. nicht bis zu diesem Innenraum eindringen können, da sogar eine geringe Menge hiervon eine nachteilige Auswirkung auf das elektrische Ausgangssignal des Sensors haben kann. Ferner ist es äußerst wichtig, daß hochspritzendes Wasser, wie es typischerweise über das Abgassystem

eines Automobils gesprii/i w irtl. wenn der Wagen ι lurch eint· Pfiii/L· usv\. fiihrl. nicht in das Innere des Sensors eindringen kann. Der bekannte Sensor bietet hierfür /edocb durch die blolk· Abdeckung mil Schikane keine ausreichende Sicherung.

Ls isi Aulgabe der Lrfindung. einer. Aufba'i für einen Sauerstoffsensor zu schaffen, der tatsächlich das vorstehend erläuterte I rlordernis für eine freie Zirkulation der atmosphärischen Luft /u der inneren Elektrode des Sensors erfüllt, wobei er einen einfachen ^lü Aufbau hat. der einfach und billig herzustellen ist. und dennoch während der Benutzung haltbar und zuverlässig ist. Dieser Aufbau soll tatsächlich sicherstellen, daß der Eintritt von Wasser. Schmutz. Staub, öl sowie anderer Verunreinigungen in den Innenraum innerhalb '' des Sensors wirksam verhindert wird.

Diese Aufgabe wird durch die gekennzeichneten Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Da der Teil des aus wasserabweisenden porösen .„Material gefertigten Rohrs, der sich zwischen dem Loch ²" *ί/ίπ dem elektrisch leitenden Rohr und dem Loch in dem !»rohrförmigen Gehäuse befindet, nicht mit einem Loch ^versehen ist, wirkt er gemäß diesem Aufbau als ein f'Filter, der den Eintritt von Wasser, Öl oder anderen '^■Verunreinigungen in den Innenraum innerhalb des _ΐ; Sensors verhindert, in bezug auf den die innere Elektrode freiligt.

Zum weiteren Schutz des seitlichen Loches können tlie Maßnahmen nach Anspruch 2 oder 3 getroffen werden, die sicherstellen, daß hochgespritztes Wasser ^:f0 wirksam aus dem Sensor abgeführt wird, ohne daß die ,Gefahr besieht, daß es in den Jnnenraum des Sensors eindringt. Die Merkmale des Anspruchs 4 sorgen für de;> wirksamsten Einsatz und Schutz des porösen Körpers.

Es ist bekannt (US-PS 41 11 778). die Löcher für die ^J5 Frischluftzufuhr von außen mit einer Kappe aus einem elastomeren Material abzudecken.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben.

Die einzige Figur der Zeichnung zeigt zum Teil im Querschnitt längs der Mittelachse ein erstes Ausluhrungsbeispiel des erfindungsgemiißen Sauerstoffsensors.

ßei dem zum Teil im Querschnitt gezeigten O_>-Sensor ist ein rohrförmiger Elekiroiytkörper 1 aus eirem festen Elektrolytmaterial, wie beispielsweise Zirkonia. gefertigt und als ein Rohr geformt, das an seinem offenen Ende la. das in der Zeichnung oben ist, uffen und geschlossen an seinem geschlossenen Ende \b ist. das in der Zeichnung unten ist. Eine innere Elektrode 2 ist als eine dünne Schicht eines elektrisch leitenden Materials ausgebildet, das auf die innere Oberfläche des Elektrolytkorpc-s 1 aufgetragen ist: ähnlich ist eine äußere Elektrode 3 als eine dünne Schicht aus einem elektrisch leitenden Material ausgebildet, das auf die äußere Oberfläche des Elekirolytkörpers ί aufgetragen ist.

Mit dem Af" 'ang des offenen Endes in des Elz-ktrolytkörp ist luftdicht ein rohrförmiges

Gehäuse 4 veru. .λ. Das Gehäuse 4 erstreckt sich in der Richtung weg von dem geschlossenen Ende ib des Elektrolytkörpers 1. Bei dem in der Zeichnung gez.eigten Ausführungsbeispiel ist ein rohrförmiges Zwischenteil 5 zwischen der inneren Oberfläche des Endes des rohrförmigen Gehäuses 4. das mit dem Außenumfang des offenen Endes in des Elektrolytkörpers 1 im Eingriff steht, und diesem Außenumfang

40 montiert, um die luftdichte Dichtung wirksam her/i'su-l len.

Innerhalb und koaxial mit dem rohrförmigen Gehäuse 4 ist an desser oberen Abschnitt in der Zeichnung cm elektrisch leitendes Rohrteil 6 angebracht: bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird das untere Ende des Rohneils f> innerhalb des rohrförmigen Gehäuse·) 4 von einem Ring aus Isoliermaterial 4 getragen, während /wischen dem oberen linde des Rührteils 6 und dem oberen Ende des rohrförmigen G'ihau'.es 4 und ferner einem oberen roh/förmigeii Gehäuse 1 !.das später beschrieben werden wird.ein aus einem elas'omeren Material wie beispielsweise Gummi hergestelltes Befestigungsrohr 10 eingebaut ist. Hierdurch wird das Rohrteil 6 in bezug auf das rohrförmige Gehäuse 4 fest getragen.

An dem in der Zeichnung unteren Ende des RohrteiK 6 ist cm Endrand f4 gebildet, der innerhalb einer Ausnehmung in dem unteren Ende des Rings 9 aus Isoliermaterial angeordnet ist: innerhalb dieser Ausnehmung liegt das obere Ende einer Druck-Scbraubenfeder ?15 gegen den Endrand 14 an. Die Druck-Schraubenfeder 15 steht unter Druck, und ihr unteres Ende sitzt auf einer Abschlußkappe 18 auf. Die Abschlußkappe 18 wird durch die Druck-Schraubenfeder 15 in der Zeichnung nach unten gegen das obere Ende eines Elektroden-Verbindungselementes 16 gedrückt, dessen unteres F.nde durch ein Klemmteil 17 festgeklemmt wird, das an der inneren Oberfläche der inneren Elektrode 2 angebracht ist. Aufgrund dieses Aufbaus ist die innere Elektrode 2 über das Klemmteil 17. das Verbindungselement 16. die Abschlußkappe 18. die Druck-Schraubenfeder 15 sowie den Endrand 14 mit dem Rohrteil 6 verbunden. Das in der Zeichnung obere Ende des Rohneils 16 ist mittels eines Lötmittels oder etwas ähnlichem mit dem Mitteldrahl 20 eines elektrischen Leilungskabels 19 verbunden, das in der Zeichnung nach oben führ·, um so die elektrischen Signale aus dem Sensor herauszuleiten.

Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist das rohrförmige Gehäuse 4 mittels eines oberen rohrförmigen Gehäuses 11 nach oben verlängert: der obere Teil des Befestigungsrohrs 10 wird von diesen* Gehäuse 11 dicht aufgenommen. Durch das das Befestigungsrohr 10 gegen die äubere Oberfläche des elektrischen Leitungskabels (9 drückende obere Gehäuse 11 wird die Verbindung des Innenraums innerhalb des oberen Teils des Rohrteils 6 mit der Atmosphäre nach oben in der Zeichnung über das Mittelloch des oberen ringförmigen Gehäuses 11 wirksam abgeschnitten.

Somit steht der Innenraum 26. der innerhalb des Elektrolytkörpers 1 abgegrenzt ist. über das Klemmteil 17 hinaus, das keine dichtende Verbindung mit dem Elekiroden-Verbindungselement J6 bildet, nach oben in der Zeichnung mit dem innerhalb des Zwischenteils des rohrförmigen Gehäuses 4 abgegrenzten Innenraum 27 in Verbindung: der Innenraum 27 steht mit dem Innenraum innerhalb des Rohrteils 6 in Verbindung. Dieser Innenraum innerhalb des Rohrteils 6 steht nicht direkt mit der Atmosphäre in Aufwärisrichtung in der Zeichnung in Verbindung. Jedoch befindet sich in der Seite des Rohrteils 6 ein Rohrloch 12: gegenüber dem Rohrloch 12 befindet sich ein Gehäuseloch 13.7 in der Seife des rohrförmigen Gehäuses 4.

Zwischen diesem Teil der äußeren Oberfläche des Rohrleils 6 und der inneren Oberfläche des rohrförmigen Gehäuses 4 ist ein Befestigungsrohr 8 angebracht, das aus einem eiastomeren Material, wie beispielsweise Gummi, gefertigt und das mit einem Bcfestigtingsrohr-

loch (3 versehen ist, das dem Rohrloch 12 und dem Gehäuseloch 13,7 entspricht. Ferner ist eingeklemmt zwischen das Befcsiigiingsrohr 8 und die äußere Oberfläche des Rohrieils 6 ein Filterrohr 7 angebracht, das aus einem porösen Material, beispielsweise Tetrafluorälhylen gefertigt ist, das einen Porositätsgrad von ungefähr 50% hat. In dem Teil des Filterrohrs 7, der dem Rohrloch 12, dem Befestigungsrohr-Loch 13 und dem Gehäuseloch 13,7 entspricht, befindet sich kein Loch. Somit bildet die Anordnung aus Filterrohr 7 und to Befestigungsrohr 8 ein Sperrteil, das für den Luftdurchgang durch das Gehäuseloch 13,7 und das Rohrloch 12 zu dem Innenraum innerhalb des Rohrteils 6 eine gewisse Filierwirkung hat. das jedoch nicht volisiändig den I.uftdurchgang unterbindet.

Um den oberen Teil des rohrförmigen Gehäuses 4 ist über das darin befindliche Gehäuseloch 13,7 ein Schutzschild 21 montiert, das bei diesem Ausführungsbeispiel als Ansatz des oberen ringförmigen Gehäuses 11 ausgebildet ist. Zwischen dem unteren Ende des Schutzschilds 2i und dem verjüngten Endabschnitt 4n des rohrförmigen Gehäuses 4 befindet sich ein ringförmiger Spalt 22. Der Innendurchmesser des Schulzschilds 21 is! etwas größer als der Außendurchmesser des rohrförmigen Gehäuses 4 im Bereich des Gehäuselochs 13/;. so daß der Außenbereich des Gehäuselochs 13,7 über den ringförmigen Spalt 22 mit der Atmosphäre in Verbindung steht. Dementsprechend ist eine Verbindung des Innenraums 26 innerhalb des Eiektrolytkörpers 1 mit der Atmosphäre über den w Innenraum 27. das innere Loch innerhalb des Rohrteiis 6. das Rohrloch 12, durch die Poren in dem Filterrohr 7. und über das Befestigungsrohr-Loch (3 und das Gehäuseloch 13<7 /u dem Innenraum 28 innerhalb des Schutzschilds 21 und durch den ringförmigen Spalt 22 möglich. Jedoch ist das Gehäuscloch 13,7 aufgrund des Schutzeffekts des .Schutzschilds 21 niehl direkt dem Außcn.'.ium ausgesetzt.

An der äußeren Oberfläche des rohrförmigen Gehäuses 4 ist ein äußerer rohrförmigen Gehäusekör- ίο per 23 angebracht, an dessen linieren Flanschende cm Montierflansch 24 befestigt ist, der mit Löchern zur Befestigung des O_>-Sensors als ganzes an der Abgasleitung eines Auiomobüs usw. versehen ist. Ein Moniierblock 29 ist /wischen dem rohrförmigen Elektrolytkörper 1 und dem Montierflansch 24 vorgesehen. Ferner ist um das geschlossene F.nde Ii/des Eiektrolytkörpers I eine Schutzabdeckung 25 angebracht, die bei diesem Ausführungsbeispiel als doppelwandiges Element ausgeführt ist. Die Schutzabdeckung 25 ist mit einer Anzahl von Löchern versehen, die einen freien Zugang des Abgases zu der äußeren Elektrode 3 auf dem Elektrolyikörper 1 erlauben.

Entsprechend der Arbeitsweise des in der Zeichnung gezeigten Oi-Sensors zirkulieren die Abgase des Motors, wenn der Sensor in der Abgasleitung einer Brennkraftmaschine angebracht ist, frei durch die kleinen Löcher in der Schuizabdeckung 25, um auf die äußere Elektrode 3 auf der äußeren Oberfläche des Eleklrolytkörpers 1 aufzutreffen. Gleichzeitig tritt atmosphärische Luft durch den ringförmigen Spalt 22, den Innenraum 28, das Befestigungsrohr-Loch i3, das Gehäuseloch 13,7, durch die Poren in dem Filterrohr 7.

sowie durch das Rohrloch 12 in den fnnenraum innerhalb des Sensors ein und trifft somit auf die innere Elektrode 2 auf der Innenoberflächc des Eiektrolytkörpers t auf. Deshalb wird entsprechend der bekannten Arbeitsweise eines solchen Sensors ein Spannungspotential zwischen der äußeren Elektrode 3 und der inneren Elektrode 2 erzeugt. Die äußere Elektrode 3 ist über den Montierblock 29, den Monticrflansch 24 etc. an der Masse des Automobils geerdet, während das relativ zu dieser Erde an der inneren Elektrode 2 erzeugte elektrische Signal über das Klemmteil 17, das Elektroden-Verbindungselentent 16. die Druck-Schraubenfeder 15. das Rohrleil 6 etc. zu dem Mitteldraht 20 des elektrischen Leitungskabels 19 geführt und durch diesen zu einem Steuermechanismus für das Automobil, beispielsweise ein Abgas-Rezirkulationssystem geleitet wird. Eine gute Zirkulation der relativ sauberen atmosphärischen Luft zu dem Innenraum 26 innerhalb des Eiektrolytkörpers 1. die wesentlich für einen guten Betrieb des Sensors ist. ist sichergestellt, während gleichzeitig der Eintritt von giftigen Verunreinigungen in den Innenraum innerhalb des Sensors durch die Filterwirkung des Filierrohrs 7 verhindert wird. Ferner wird durch das Anbringen des .Schutzschilds 21 Spritzen von Wasser. Öl, Staub usw. auf die Außenseite des Filterrohrs 7 wirksam verhindert.

Zur Verbesserung der Zirkulation der Luft in das Innere des Sensors können ein oder mehr kleine Löcher in dem Schutzschild 21 vorgesehen werden, solange sie nicht dem Gehäuseloch Hn in dem rohrförmigen Gehäuse 4 gegenüberliegen, um den Eintritt von Luft in den Innenraum 28 innerhalb des Schulzschilds 21 zu verbessern. Ferner ist es nicht notwendig, das Schutzschild 21 als kreisförmiges Teil vorzusehen, das vollständig den oberen Abschnitt des rohrförmigen Gehäuses 4 umgibt. Ferner können als eine vorteilhafte Modifikation ein oder mehrere kleine Löcher, beispielsweise ein gestrichelt in der Zeichnung gezeigtes !.och 30. durch das Schutzschild 21 in dessen oberem Teil gebohri werden, mit dem es an das rohrförniijre Gcfiau.se4 stoß!.

Diese Löcher sind sehr nützlich, wenn der Sensor an dem Automobil in einer Stellung angebracht wird in der sein oberer T^jt in der Z^icnnun¹* sich t^tri einer niedrigeren Stelle als sein in der Zeichnung unterer Teil befindet, so daß die Gefahr besteht, daß in den zwischen dem Schutzschild 21 und dem rohrförmigen Gehäuse 4 gebildeten Raum 28 gespritztes Wasser gesammelt wird. Diese Löcher wirken als Abfluß für das gesammelte Wasser. Wenn die Löcher um den Umfang des Schul/schilds 21 verteilt sind, so können sie das gesammelte Wasser unabhängig davon abführen, in welcher um seine Mittelachse gedrehten Lage der Sensor montiert ist. Eine weitere mögliche Abwandlung innerhalb des allgemeinen Erfindungsgedan!:ens besteht darin, die relativen Lagen des Befestigungsrohrs 8 und des Filterrohrs 7 auszutauschen. Anders ausgedrückt, bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Befestigungsrohr 8 über der Außenseite des Filterrohrs 7 angebracht, bei einem alternativen Ausführungsbeispiel kann das Filterrohr 7 über der Außenseite des Befestigungsrohr 8 angebracht werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

P:i le πι ίΐπ spoil Ik-:

1. .Sauerstoffsensor. inn einem E;lekirolylkrii|>er (l).der aus einem festen Uekirolyien hergestellt und als Rohr mit einem offenen l'nde (tu) und einem geschlossenen Knde(l/>J ausgebildet ist. einer auf der inneren Obcrfliiche des rohrförmigen Klcktrolyikorpcrs ungeordnete innere Elektrode (2), einer auf der äußeren Oberfläche des rohrförmigen Elektrolytkorpers angeordnete äußere Elektrode (3), einem mit dem AuUenumfung des offenen Endes (la) da rohrförmigen Elektrolytkörpers (1) dicht verbundenes rohrförmiges Gehiluse (4). das einen Innenraum innerhalb des Elektrolylkörpers abgren/t, in bezug aiii den die innere Elektrode (2) freiliegt. und das mil einem seitlichen Loch (lin) versehen ist, einem elektrisch leitendes Rohrteil (6). das innerhalb des rohrförmigen Gehäuses (4) angeordnet und im wesentlichen koaxial mit diesem ist, einer Einrichtung (15, 18,16,17} zur elektrischen Verbindung der ^•inneren Elektrode (2) mit dem ihr am nächsten gelegenen Ende des elektrisch leitenden Rohrteils (6), einem mit dem anderen Ende des elektrisch leitenden Rohrteils verbundenen Leitungsdraht (20), der aus dem Sensor herausführt, einem über der Außenseite des seitlichen Lochs (t3aj in dem ^Gehäuse (4) angeordneten Schutzschild (21). das die Verbindung /wischen dem seillichen Loch (13) und der Atmosphäre nicht unterbricht, jedoch das seitliche Loch davor schützt, direkt dem AufJenraum ausgesetzt zu sein, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch leitende Rohrteil (6) mit einem dem seitlichen Loch in dem Gehäuse gegenüberliegenden seitlichen Loch (12) versehen ist und ein Sperrteil (7,8) vorgesehen ist. das (fa) ein aus wasserabweisendem porösem Material hergestelltes Rohr (7) und ein (Ib) aus einem elastomeren ,gummiähnlichen Material hergestelltes und mit einem seitlichen Loch (13) versehenes Rohr (8) aufweist, wobei eines dieser Rohre in das andere eingebaut ist. und das Sperrteil dicht über dem elektrisch leitenden Rohrteil (6) und dicht in das rohrförmige Gehäuse (4) eingebaut isi und die Verbindung des Innenraums innerhalb des rohrförmigen Gehäuses über den Raum /wischen dem rohrförmigen Gehäuse und dem elektrisch leitenden Rohrteil zu der Au/Jenseite unterbricht, wobei das seitliche Loch (13) in dem aus elastomeren gummiähnlichen Material hergestellten Rohr (7) den seitlichen Löchern (13a; 12) in dem rohrförmigen Gehäuse und dem elektrisch leitenden Rohrteil (6) entspricht, wobei die Verbindung zwischen dem Innenraum (27) innerhalb des rohrförmigen Gehäuses (4) über den Teil der Innenseite des elektrisch leitenden Rohrteils (6), der dem anderen Ende näher als dem Sperrteil (7) ist. zu der Außenseite hin unterbrochen ist.

2. Sensor nach Anspruch 1, bei dem das Schutzschild (21) ein <sm das rohrförmige Gehäuse (4) vorgesehenes rohrlörmiges Element ist, das in bezug auf den Elektrolytkörper (1) mit einem axialen Ende des rohrförmigen Gehäuses (4) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein ringförmiger Zwischenraum (22) zwischen dem Schutzschild (21) und dem rohrförmigen Gehäuse abgegrenzt ist und mindestens ein Abflußloch (30) durch das Schutzschild (21) in der Nähe seines Verbindungsendes gebohrt ist. wodurch eine Flüssigkeit aus deir ringförmigen Zwischenraum (28) uliflieMen kann, wenn der Sensor so eingcbuui ist. uaß da^k offene Ende des Schut/schildes höher als das Verbindungende liegt.

J. Sensor nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Abflußlöchern (30) durch das Schutzschild (29) im Bereich seines Verbindungsiibschniiies gebohn sind, so daß emu Flüssigkeit aus dem ringförmigen Raum abfließen kann, wenn sich der Sensor in einer Orientierung befindet, in der der EleKirolytköiper (I) hoher als der Verbindungsabschnitt ist. unabhängig davon, wie die Orientierung des Sensors in bezug auf eine Drehung um seine Mittelachse isl.

4. Sensor nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnet, daß düs aus clasiomeren gummiähnlichcm Material hergestellte Rohr (8) sich außerhalb des aus wasserabweisend!π porösen Material hergestellten Rohrs (7) befin Jet.