DE3105089A1

DE3105089A1 - "sauerstoff-sensor"

Info

Publication number: DE3105089A1
Application number: DE19813105089
Authority: DE
Inventors: Hisaharu Nishio
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1980-02-18
Filing date: 1981-02-12
Publication date: 1982-01-14
Also published as: DE3105089C2; US4405429A

Description

Sauerstoff-Sensor

Die Erfindung bezieht sich auf einen Sauerstoff-Sensor zum Ermitteln der Sauerstoffkonzentration in Abgasen verschiedenster Art, insbesondere von Verbrennungsvorgängen, wie beispielsweise von Brennkraftmaschinen und dgl.

Ein Sauerstoff-Sensor zur Ermittlung der Sauerstoffkonzentration in Abgasen eines VerbrennungsVorganges, beispielsweise bei einer Brennkraftmaschine oder dgl. mit einem auf Sauerstoff empfindlichen Element, das aus einem festen Elektrolyten besteht, findet sich bereits in breiter Anwendung .

Bei einem solchen Sauerstoff-Sensor wird von einem tubusförmigen, auf Sauerstoff empfindlichen Element Gebr tuch gemacht, das aus Zirkonerde oder dgl. besteht und an seinem einen Ende verschlossen ist. Das sauerstoffempfindliche Element ist an seinen Außen-, und Innenwänden mit einer äußeren und einer inneren Elektrodenschicht versehen, die sich jeweils vom geschlossenen (unteren) Ende des Elements nach oben erstrecken und aus Platin bestehen, die durch einen Druckvorgang oder dgl. angebracht worden sind. Das sauerstoff-empfindliche Element muß elektrischleitend in ein Metallgehäuse eingebettet werden, das mit kleinen öffnungen versehen ist, durch welche das Abgas strömen kann, das mit der äußeren Elektrodenschicht zur Ermittlung der Sauerstoffkonzentration in Berührung gebracht werden soll. Weiterhin muß Außenluft durch die innere Elektrode zum geschlossenen Ende des sauerstoffempfindlichen Elements gebracht werden und muß ein Anschlußdraht mit der inneren Elektrodenschicht verbunden sein,

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der nach außen führt. In diesem Falle kann zwar die Außenelektrodenschicht leicht mit dem Metallgehäuse dicht verbunden werden, doch bereitet es Schwierigkeiten, zugleich die Luft an die innere Elektrodenschicht zu führen und diese mit dem erwähnten Anschlußdraht zu verbinden.

Um diese Schwierigkeiten zu vermeiden, ist versucht worden, die innere Elektrodenschicht an ihrem offenen Ende mit einem Gewinde zu versehen, in das man einen spulenartigen Anschluß einschraubt, dessen Außendurchmesser geringfügig größer ist als der Innendurchmesser des mit dem Gewinde versehenen Abschnitts der Innenelektrode, so daß sich ein gewisser Druck zwischen dem spulenförmigen Anschluß und dem Gewindeabschnitt ergibt. Dieser spulenförmige Anschluß erstreckt sich nach außen und ist mit einem Anschlußleiter verbunden. Diese Lösung befriedigt zwar unter normalen Bedingungen, weist jedoch den Nachteil auf, das die Gefahr besteht, daß die elektrische Verbindung zwischen dem sauerstoff-empfindlichen Element und der inneren Elektrodenschicht unter hohen Temperaturen zerstört wird.

Der oben erwähte spulenförmige Anschluß besteht vorzugsweise aus einem federnden Material aus rostfreiem Stahl, wie beispielsweise SUS631J1, der hervorragende Hitzebeständigkeitseigenschaften aufweist. Der Innendurchmesser des offenen Endes und der Durchmesser des Gewindeabschnittes darin des sauerstoff-empfindlichen Elementes weisen aus Konstruktionsgründen vorgegebene Grenzwerte auf und der spulenförmige Anschluß, der unter Druck mit dem Gewindeabschnitt des sauerstoff-empfindlichen Elementes verschraubt wird, muß aus einem Draht hergestellt sein, der zur Erzielung des gewünschten Gewindeeingriffes einen ausreichend kleinen Durchmesser aufweist. Wenn man diesen Sauerstoff-Sensor bei hoher Temperatur lange Zeit einsetzt, dann wird jedoch das Drahtmaterial des spulenförmigen Anschlusses weich, so daß sich seine Spannung

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und damit der Druck innerhalb des Gewindes verringert. Auf diese Weise kann der elektrische Kontakt zwischen dem sauerstoff-empfindlichen Element und der inneren Elektrodenschicht verlorengehen. Mit einem Draht aus dem vorgenannten Material bei einem Durchmesser von 0,6 mm ergaben sich bis zu Temperaturen von 300 C keine nachteiligen Eigenschaften, nach einem Betrieb von 100 Stunden bei einer Temperatur von etwa 400° C ließ jedoch die Spannkraft des Drahtes merklich nach.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Sauerstoff-Sensor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs anzugeben, der die vorbeschriebenen Nachteile nicht aufweist und über lange Zeit hervorragende elektrische Eigenschaften sicherstellt.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung soll nachfolgend unter Bezugnahme a.\ f ein in der Zeichnung dargestelltes Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.

Man erkennt in der Zeichnung ein tubusförmiges, auf Sauerstoff empfindliches Element 1, das aus einem festen Elektrolyten gebildet ist, der aus Zirkonerde oder dgl. besteht und dessen Innenraum an seinem einen (unteren) Ende 1b verschlossen ist. Das sauerstoff-empfindliche Element 1 ist mit einer Außenelektrodenschicht 2a versehen, die sich von seinem geschlossenen Ende 1b nach oben erstreckt und aus einem porösen dünnen Film aus Platin oder dgl. besteht. Weiterhin weist das sauerstoffempfindliche Element 1 eine Innenelektrodenschicht 2b auf,

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die sich von seinem geschlossenen Ende 1b nach oben erstreckt und aus einem dünnen Film eines Materials besteht, daß nicht unbedingt porös zu sein braucht. Die beiden Elektrodenschichten 2a und 2b können durch Aufdampfung oder dgl. hergestellt sein. Mit 3 ist ein Metallgeäuse bezeichnet, das aus einem Hauptfitting 3¹ und einer Hülse 3" besteht. Das Fitting 3^f trägt das sauerstoffempfindliche Element 1, das dazu einen Sitz 1'b vergrößerten Durchmessers aufweist, und ist mit der Außenelektrodenschicht 2a elektrisch leitend verbunden. Das sauerstoff-empfindliche Element 1 ist mit Hilfe eines Vergußmaterials 4 mit dem Fitting 3' vergossen, das an seinem unteren Ende ein Einschraubgewinde 3'a aufweist, mit dessen Hilfe es in eine Wand oder dgl. der Brennkraftmaschine eingeschraubt werden kann. Eine Schutzkappe 3'b schützt das geschlossene Ende 1b des sauerstoff-empfindlichen Elementes 1 vor äußerer mechanischer Berührung. Diese Schutzkappe 3'b ist mit kleinen Löchern 3'c versehen, durch welche Abgas der Brennkraftmaschine oder dgl. an das sauerstoff-empfindliche Element 1 heranströmen kann. Die Metallhülse 3' ist am oberen Ende der Vergußmasse 4 angeordnet und mechanisch und elektrisch mit dem Fitting 3' verbunden. Die Metallhülse 3' ist an ihrem oberen Ende mit einem Abschnitt 2'a verringerten Durchmessers versehen. Mit 5 ist ein Mittenleiter bezeichnet, der an seinem unteren Ende mit einem spulenförmigen Anschluß 5a versehen ist, der mit dem offenen Ende 1'a der Mittenbohrung 1a des sauerstoff-empfindlichen Elementes 1 an einem dort ausgebildeten Gewinde verschraubt ist. Als Folge davon ist der spulenförmige Anschluß Sa elektrisch mit der Innenelektrodenschicht 2b in dem sauerstoff-empfindlichen Element 1 verbunden. Der Mittenleiter 5 läßt atmophärischen Druck von außen an die Innenelektrodenschicht 2b.

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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Mittenleiter 5 mit einem elastischen Abschnitt 5c, wie einer Spule oder dgl., versehen, der sich nach oben in der Metallhülse 3" in einem Abstand von dem spulenförmigen Anschluß 5a erstreckt und dazu vorhanden ist, eine Spannungs- oder Druckkraft auf den spulenförmigen Anschluß 5a auszuüben. Ein Verbindungsdraht ist zwischen dem spulenförmigen Anschluß 5a und dem elastischen Abschnitt 5c angeordnet. Dieser Verbindungsdraht 5b kann auch weggelassen werden und der spulenförmige Anschluß 5a kann zusammen mit dem elastischen Abschnitt 5c als integrale Einheit ausgebildet sein. Mit 6 ist ein ringförmiges Befestigungsstück bezeichnet, das aus einem isolierenden Material besteht und dessen Innendurchmesser beispielsweise mit einem oberen Teilabschnitt des elastischen Abschnittes 5c verschraubt ist, um diesen festzulegen. Die Innenfläche der Metallhülse 3" wird gegen die Außenfläche des ringförmigen Befestigungsstückes 6 gedrückt, indem die oberen und unteren Enden 3"c und 3"b der Metallhülse aufgespreizt werden, so daß der elastische Abschnitt 5c sich in axialer Richtung nicht mehr bewegen kann. Wenn ein Federdraht eines später zu beschreibenden armierten Verbindungsdrahtes eine hohe Steifigkeit aufweist, so daß der elastische Abschnitt 5c festgehalten werden kann, ohne daß er in axialer Richtung bewegt wird, dann ist es möglich, auf das Befestigungsstück 6 zu verzichten.

Der elastische Abschnitt 5c des Mittenleiters 5 ist so ausgebildet, daß eine Spann- oder Druckkraft auf den spulenförmigen Anschluß 5a ausgeübt wird. Wenn in der Praxis jener Teilabschnitt des elastischen Abschnitts 5c, der aus dem Befestigungsstück 6 heraussteht, eine so hohe Steifigkeit aufweist, daß eine Verformung des elastischen Abschnitts 5c vermieden wird, dann ist es günstig, vom elastischen Abschnitt 5c eine Spannkraft auf den spulenförmigen Anschluß 5a auszuüben, so daß sich letzterer nicht verziehen kann. In diesem Falle kann auf den aufgeweiteten

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Abschnitt 3"c am oberen Ende des ringförmigen Befestigungsstückes 6 verzichtet werden, was die Herstellung erleichtert.

Mit 7 ist ein armierter Verbindungsdraht bezeichnet, der als Anschlußdraht zu einem Meßinstrument verwendet wird. Der armierte Verbindungsdraht 7 besteht aus drei Lagen, d.h. aus einem Federdraht 7a, der als einer der Anschlußdrähte verwendet ist, einem schlauchförmigen elastischen Isoliermaterial 7b, das den Federdraht 7a umgibt und aus Silikongummi oder dgl. besteht, und einem Metallgewebe 7c, das die Isolierschicht 7b umgibt und als der andere Anschlußdraht dient. Das untere Ende des.Federdrahtes 7a erstreckt sich nach unten gegen den Abschnitt 3"a verringerten Durchmessers und stößt an einen tubusförmigen Anschluß 8 des Verb.i ndungsdrahtes 5b des Mittelleiters 5 an und ist mit diesem durch Verlötung oder dgl. verbunden. Der erste Federdraht 7a ist auf diese Weise elektrisch leitend mit der Innenelektrodenschicht 2b des sauerstoff-empfindlichen Elementes 1 verbunden. Der Federdraht 7a ist im Innern mit einem Verbindungsloch 7d verbunden, das atmophärische Luft von außen an die Innenelektrodenschicht 2 heranführt. Das Metallgewebe 7c ist elektrisch durch Löten oder dgl. mit einer metallenen Kupplungshülse 9 verbunden und das obere Ende des Abschnittes 3"a verringerten Durchmessers der Außenhülse 3" ist mit der Außenelektrodenschicht 2a des sauerstoff-empfindlichen Elementes 1 verbunden.

Wie beschrieben, ist der Sauerstoff-Sensor nach der Erfindung an seinem Mittelleiter mit einem spulenförmigen Anschluß versehen, der fest mit einem Gewinde verschraubt ist, das im oberen Ende einer Innenelektrodenschicht an der Innenwand der Bohrung eines sauerstoff-empfindlichen Elementes verschraubt und elektrisch leitend mit dieser Innenelektrodenschicht verbunden ist. Diese Bohrung steht mit dem äußeren atmophärischen Druck in leitender Verbindung. Ein elastischer Abschnitt übt eine Spannungs- oder Druckkraft auf den spulen-

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förmigen Anschluß aus und als Folge davon wird auch dann, wenn der spulenförmige Anschluß hoher Temperatur ausgesetzt ist, die feste Schraubverbindung zwischen diesem Anschluß und dem Gewindeabschnitt am oberen Ende des sauerstoff-empfindlichen Elementes aufrechterhalten, so daß stets ein guter elektrischer Kontakt zwischen der Innenelektrodenschicht und dem Mittenleiter sichergestellt ist.

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Leerseite

Claims

Ansprüche

1.") Sauerstoff-Sensor, bestehend aus einem tubusförmigen, gegenüber Sauerstoff empfindlichen Element, das an seinem einen (unteren) Ende verschlossen ist und äußere und innere Elektrodenschichten trägt, die sich vom geschlossenen Ende nach oben erstrecken, einem Metallgehäuse, das mit dem gegenüber Sauerstoff empfindlichen Element vergossen und elektrisch leitend verbunden ist, einem Mittenleiter mit einem spulenförmigen Anschluß, der mit dem mit einem Gewinde versehenen offenen Ende der inneren Elektrodenschicht verschraubt ist und diese mit der Außenluft verbindet, und einem die Ausgangsgröße abgebenden elektrischen Anschlußkabel, dessen Leiter mit den Enden des Mittenleiters und des Metallgehäuses verbunden sind und ein Verbindungsloch aufweist, das durch den spulenförmigen Anschluß hindurch mit der inneren Elektrodenschicht des auf Sauerstoff empfindlichen Elements verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß

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MÜNCHEN: TELEFON (OBS) 22 88 80 KABEL; PROPINDUS · TELEX 09243.44

BERLIN: TELEFON (O3O) 8312088 KABELS PROPINDUS -TELEX 01 84 O57

ein elastischer Abschnitt (5c) vorgesehen ist, um eine Spannimgs- oder Druckkraft auf den spulenförmigen Anschluß (5a) des Mittenleiters (5) aufzubringen.

2. Sauerstoff-Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elastische Abschnitt (5c) auf dem Mittenleiter

(5) angeordnet und fest mit dem Metallgehäuse (3) verbunden ist.

3. Sauerstoff-Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elastische Abschnitt (5c) aus einer Spule oder dgl. besteht und mittels eines Verbindungsdrahtes (5b) mit dem spulenförmigen Anschluß (5a) verbunden ist.

4. Sauerstoff-Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elastische Abschnitt und der spulenförmige Anschluß als integrale Einheit ausgebildet sind.

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